玻璃纤维3D打印机研究分析

孟凡盛 张帆 王夕增 尹牛牛 刘洋洋

摘  要：随着信息技术的飞速发展，在3D打印品的日益需求下，随之而来的也是对3D打印要求的增加。然而传统打印机已经无法满足当前繁重的任务负荷，以及打印的高强度。在此背景下，玻璃纤维3D打印机应用而生。它不仅减轻了工作人员的强度，还能缩短打印的时间。但是由于该打印机制造成本和原材料成本较高，目前只有高端领域进行应用。对于非金属制造的专用材料中，其性能尤其是耐高温和强度，需要降低成本，以便得到广泛利用。本文对玻璃纤维3D打印机进行了研究和分析。

关键词：玻璃纤维  3D打印机  分析  研究

中图分类号：TQ171          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0094-03

Research and Analysis of Glass Fiber 3D Printer

MENG Fansheng1  ZHANG Fan1  WANG Xizeng2  YIN Niuniu2  LIU Yangyang2

（1.School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu Province， 225127 China; 2.Anhui Fengyang Huaihe Glass Co.， Ltd.， Chuzhou， Anhui Province， 233100 China）

Abstract： With the rapid development of information technology， the increasing demand for 3D printing products is accompanied by the increasing requirements for 3D printing. However， traditional printers have been unable to meet the current heavy task load， as well as the high intensity of printing. In this context， the glass fiber 3D printer was born. Not only does it reduce the strength of the staff， but it also reduces the time it takes to print. However， due to the high cost of manufacturing and raw materials， the printer is only used in high-end fields at present. Technology have released that for non-metallic materials， their properties， especially their high temperature resistance and strength， need to be reduced in cost in order to be widely used. This paper studies and analyzes the glass fiber 3D printer.

Key Words： Glass fiber; 3D printer; Analysis; Research

3D打印的核心是三維CAD的数据，代表着技术革命的突破以及信息时代的产物，其原材料为粉末状或为塑性的原材料，是利用层数使材料进行增加的技术。在科技的影响下，人们对产品制造的需求愈发增多，以往的3D打印材料已不能满足其需求，尤其是在化工、建筑或航空等热塑性材料刚性不足。针对这种情况，适用于做3D打印原材料越来越多，玻璃纤维作为其中最具有刚性、耐高温和吸水性材料，很好地解决问题。3D打印技术具有快速成型的特点，而传统成型技术时间较长，且成本高，也不能在短时间内完成制造。3D打印技术不仅缩短了制造时间，而且使材料的利用率得到提高，有利于整体成本的降低。

1  3D打印技术概述及应用

1.1 3D打印技术概述

3D打印技术并不是新型技术，早在30年前就有人对此技术进行研究。在技术人员的操作下，运用计算机设备，对三维模型展开绘制，并利用三维扫描仪，对实物构架进行扫描生成三维模式，在此过程中对数据的记录，就需要使用3D打印机技术，借助电脑终端数据传输到三维打印机，通过分层次堆积的控制技术，形成需要的模型。在工业应用中被称为增材制造技术，该技术的优点是可以在需要情况下制造任何的物品。例如，模型的制造根据模型的规格和形状，使用传统的技术，要想完成好这些模式可能需要几个小时，也有可能是几天或者是更长的时间。使用3D打印技术以后，时间局面就完全可以改变，需要几天的模型制作，在3D打印技术条件下只需要短短几个小时就可以完成。当然使用3D打印技术也同样受到模型的规格形状影响，同时也受到其复杂程度影响，但是总体来讲在时间方面有着巨大的突破[1]。

形成3D打印技术高热的原因主要是媒体宣传作用。3D技术最先使用在工业应用也就是快速成型技术，当时对这个技术的研究由于使用的材料和设备的成本太高，无法普及。2008年是3D技术的一个转折点，一款价格非常低廉的3D打印机在世界上公布，这种3D打印机在特点上主要有三个方面，就是分销、制造和设计。后来在使用开源软件的应用以后，3D打印机也使用开源的设计方法。一般情况下这个设计的三个部分是不会受到任何的专利的保护，在三个部分就包括了软件、电子元件和硬件，对于这三个方面只要需要就可以使用和更改。正是这个原因造成世界上很多爱好者对这方面改造和设计，促使该技术不断完善和进步。对于美国而言，其根据自身发展的需要，制定了关于工业制造复苏计划，这个计划就有着美国的工业部门和美国的政府部门共同在资金方面支持，第一期的投资金额在10亿美元，在2013年的时候，确定第一个项目就是3D打印技术，并以该技术为研究方向展开探究。

在3D的打印领域需要复制的产品，关于产品的外观专利和产品的专利，只需要获得专利方面的授权的情况下，这样的复制的产品也同样受到专利法的保护。专利权的保护和在商标的保护，这些就是仅限制在商业地范围内，要是在使用中是一种非商业的行为，这样就不在侵权的范围[2]。

1.2 3D打印技术的应用

3D打印技术的应用就会造成商品的低价、快速和方便。3D打印技术的关键是模型文件，而模型文件可以分成两个种类，也就是设计生成的模型文件和扫描生成的模型文件，在创作性物品和实用性物品，实用版权保护对这两个方面保护结果是不一样的。实用性的物品使用扫描形成的模型文件，这个方面是不会受到版权法的保护，这个主要是动机不同，在使用的扫描没有创新的付出，而且使用这样的方法，制造出的作品也是不会在版权保护法的保护范围之内。但是在使用创意而形成的作品，这个是能够获得版权的保护，但是扫描的文件就不会受到版权的保护，还有就是扫描需要获得创意者的同意。利用适用性的物品设计而形成的模型文件，这个在理论方面是有版权，根据模型文件打印的物品不会侵犯到该模型的版权，也就是在没有授权的情况下，对物品的制造、对文件的复制行为，这样就有可能造成侵权。在创意的物品中使用了设计的方法而形成的模型文件，这两个方面物品和文件都是有着独立的版权。

3D打印技术对社会生活中的人们而言，最为常见的就是对鞋的打印，对珠宝的打印、对时装的打印、对家具的打印和对手机的打印。随着这个技术的不断发展，制造商就会发现，其实3D的技术还可以应用在很多的行业。

2  玻璃纤维材料的力学性能

2.1 拉伸测试结果

众所周知，不同层次的拉伸结果也各不相同，有研究表明，拉伸强度大小的影响与切片层厚度有关。即试样厚度越大，拉伸程度就越小，相反，试样厚度越小，其拉伸的强度也越来越大。尤其是厚度在0.1～0.4mm之间时，其呈阶梯式减小的规律变化越来越明显。造成这些的原因是试样的厚度越薄，从而层数越多，当然玻璃纤维中的也会逐渐增加。从另一方面进行研究，纤维可以和树脂相互结合到一起，其效果在厚层地减少下也会得到提高，包括它的断裂强度也在增加。

同样，拉伸强度还受切片层填充密度的影响，其拉伸强度是随着填充密度的增加而变化。当它的填充密度在60%～80%之间时，拉伸强度的增加会越来越明显，当超过80%时，其范围从增强逐渐下降。这些都是由于不同层次之间玻璃纤维的距离逐步缩小造成的。因为各个玻璃纤维之间的分散得比较均匀，在不同层次之间纤维数量的增多的前提下，其材料的断裂能力也在增加。有玻璃纤维的材料曲线和聚乳酸材料的曲线相对比，玻璃纤维材料的增加效果明显。如果满足切片层的厚度、填充密度等条件，玻璃纤维可以有效增加其拉伸断裂强度[3]。

2.2 弯曲结果测试

切片层之间的厚度对其自身的弯曲强度有着较大的影响，二者存在着因变量值的增大而减小，或者减小而增大的关系。可以说如果切片层的厚度越来越大，那么试样层的弯曲强度会越来越小。这是因为，在切片层之间的厚度越薄，原材料中的玻璃纤维也会越多。针对聚乳酸类的混合材料来说，玻璃纤维在此之中起着增强的作用。例如，如果各层次之间的厚度在0.1～0.3mm之间，其弯曲强度会越来越低;如果厚度达到0.3mm以上，0.5mm以下，该材料弯曲的强度下降趋勢会减缓[4]。

除此之外，材料的弯曲强度也会受填充密度的影响。如果填充密度逐渐增加，那么玻璃纤维也会逐渐增加。另外，在树脂的结合下，与玻璃纤维都会促进原材料强度的增加。因此当不同层次的厚度与填充密度都一样时，玻璃纤维的增加可以有效加强材料的弯曲程度[5]。因为玻璃纤维自身的拉伸强度和弯曲度都比较好，最终有利于弯曲材料的有效增加。从而得出切片层的填充密度和拉伸成正比例关系。尤其是在80%左右，玻璃纤维材料的力学性能显著提高。

2.3 压缩强度

由于玻璃纤维的质量增大，材料的压缩强度会呈减小趋势。因为玻璃纤维取向方向为平行打印，与压缩的方向垂直，玻璃纤维作为一种拉伸较强，但受压能力较小的材料，在其他材料的融合中，可以将密度不断增大，有助于混合材料强度的增加。其中当玻璃纤维的质量为0.15mg时，组成材料的压缩强度越大，大约是108兆帕。一旦玻璃纤维超过了0.15mg，热塑材料将不会对玻璃纤维产生连接性，造成原材料的压强减小[6]。

3  结语

由上可知，3D打印随着时代的发展越来越成熟，玻璃纤维3D打印也受到了关注，它的广泛应用拓宽了3D打印的类型。当运用3D打印技术制备材料时，由于成型技术的不同，打印的原料也各不相同。其中切片层厚和填充密度等一些参数相同时，在此之中，玻璃纤维的加入，进一步增强基体的力学能力。

参考文献

[1] 陆承麟.通过非线性回归对超大尺寸复合材料3D打印的热力学分析[C].浙江省土木建筑学会.第26届华东六省一市土木建筑工程建造技术交流会论文集（上册）.浙江省土木建筑学会：施工技术编辑部，2020：4.

[2] 马亚标，张守锋，牛广智，等.3D打印轨迹对玻璃纤维/ABS复合材料3D打印制品力学性能的影响[J].塑料工业，2020，48（9）：112-116.

[3] 张海强，杜俊斌，赵建华，等.FDM 3D打印机成型空间加热保温系统的设计研究[J].机械设计与制造，2020（3）：141-145.

[4] 张皓，杜文风，张帆.面向3D打印的纤维混凝土材料的发展现状[J].河南大学学报：自然科学版，2020，50（1）：108-117.

[5] 崔永辉，贾明印，薛平，等.连续玻璃纤维增强PLA复合材料3D打印技术研究[J].塑料工业，2020，48（1）：51-54，77.

[6] Improving flexural characteristics of 3D printed geopolymer composites with in-process steel cable reinforcement[J] . Jian Hui Lim，Biranchi Panda，Quang-Cuong Pham.  Construction and Building Materials . 2018