CN108248035A - 基于3d打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法、装置及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法、装置及用途。所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，包括用于将打印材料熔融并从具有拉胀几何结构的出料口挤出的挤出成型机构；用于接收挤出成型机构挤出的熔融材料并逐渐使熔融材料堆积形成所需要的拉胀纤维、纱线或其制品的接收机构；以及用于分别带动挤出成型机构以及接收机构运动以完成拉胀纱3D打印成型的打印驱动控制机构数据输入与控制机构。本发明打印出的纤维、纱线、无纬布和非织造布，均具有拉胀效应。

Description

基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法、装置及 用途

技术领域

本发明涉及拉胀纤维及其制品的加工方法、装置及用途，尤其是对3D打印机进行改进制备拉胀纤维及其制品的方法和设备，属于纺织科学与技术领域。

背景技术

拉胀纤维具有轴向伸长，其截面变粗的性质，或轴向压缩，截面缩小的性质；也称为负泊松比纤维。传统的纤维由于截面为实心，或圆柱形中空或其他孔隙，着重的是截面的变化和几何形态的改变，未曾关注截面形态变化，故传统的纤维为正泊松比纤维。而负泊松比纤维在力学性能上显著区别传统的正泊松比纤维，尤其是在拉伸回复、缓冲、减振、抗冲击等方面性能优异，由于负泊松比纤维这种材料特有的拉伸膨胀和挤压收缩的性质，使其在纺织领域尤其是功能纺织品上的应用广受研究者的关注。

纵观目前已有的纺织纤维，多为传统静电的溶液纺丝、熔融纺丝、液晶纺丝和静电纺丝，所加工的纤维为正泊松比纤维。近年来的3d打印技术，由于设计方便、流程短，且打印的维细度细，纤维改性便捷，而成为新材料开发的有效工具。但是打印的单丝纤维依然是传统的正泊松比纤维。

关于纺织的拉胀纱线也是近十年来的研究热点，通过利用模量有一定差异的两种长丝纱螺旋缠绕来制备拉胀纱的方法占据了很大比例。例如：专利WO2007/125352A1、专利CN2013/103361811A和专利WO2010/146347A1都分别基于不同设备采用了这种方法来制备拉胀纱，但制备得到的拉胀纱都因存在着拉伸时内外层纱线弹性模量差异大引起的纱表面凹凸不平的问题而使所生产的拉胀纱的应用受限。专利US2011/0039088A1、US2011/0209557A1也提出了和专利WO2007/125352A1十分类似的负泊松比纱结构，专利US2011/0039088A1提出的是一种对湿度敏感的拉胀纱，虽然这种拉胀纱能够应用在舒适性服装领域，但同样由于结构不稳定而使其应用也受到限制。

近几年，随着科技进步，作为一种新兴科技的快速成型技术(又称快速原型制造技术)又称3D打印，其主要是基于材料堆积的一种高新制造技术，其根据设计的三维模型数据，通过3D打印设备以材料随时间堆积的方式司以制造出传统加工方式难以制造的复杂结构的材料。因此，本发明提出一种将3D打印这种高新制造技术与纺织材料结合起来的拉胀纤维及其制品的加工方法，借助3D打印在结构上的广泛适用性，将使制备新型纤维、纱线及其制品成为可能。

发明内容

本发明的目的是针对于3D打印系统进行改进，通过赋予喷头挤出口拉胀几何结构，使出料口打印出来的材料截面呈拉胀几何结构，进而打印形成具有拉胀效应的纤维；通过所述打印的拉胀纤维，再堆砌成不同结构的纱线和织物，形成拉胀纺织品。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，包括用于将打印材料熔融并从具有拉胀几何结构的出料口挤出的挤出成型机构；用于接收挤出成型机构挤出的熔融材料并逐渐使熔融材料堆积形成所需要的拉胀纤维或其制品的接收机构；以及用于分别带动挤出成型机构以及接收机构运动以完成拉胀纱3D打印成型的打印驱动控制机构。

优选地，所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置还包括用于输入计算机辅助设计软件设计的三维模型以及打印相关参数，并根据所输入的打印相关参数以及计算机辅助设计软件设计的三维模型分别控制挤出成型机构将打印材料熔融挤出以及打印驱动控制机构带动挤出成型机构以及接收机构运动的数据输入与控制机构。

优选地，所述的打印相关参数包括温度、速度等。

优选地，所述的接收机构包括底座、支撑杆、支撑台和热床；底座上设有支撑杆，支撑杆上设有支撑台，支撑台上设有热床。热床对挤出成型机构出料口输出的拉胀纤维状单丝提供接受平台，以便后续挤出的材料与其接触并按照设计要求堆积形成要求的拉胀纱和制品。其中热床为具有控温功能，可以调节温度。

优选地，所述的挤出成型机构包括喷头挤出驱动装置，喷头挤出驱动装置连接喷头，出料口设于喷头的下端，打印材料进入喷头熔融，熔融材料在喷头挤出驱动装置作用下由出料口挤出，出料口的拉胀式几何结构与熔融材料截面相一致。其中喷头挤出材料的速度可以设置。

优选地，所述的打印驱动控制机构包括Z轴驱动机、Y轴驱动机和X轴驱动机，其中X轴驱动机连接控制喷头沿X轴方向运动，Z轴驱动机和Y轴驱动机分别控制接收机构沿着Z轴和Y轴运动，从而实现三维方向的打印。

优选地，所述的打印驱动控制机构包括水平方向运动控制杆、Z轴驱动机、Y轴驱动机、竖直方向运动控制杆和X轴驱动机，X轴驱动机连接沿X轴方向设置的水平方向运动控制杆，水平方向运动控制杆连接挤出成型机构的喷头，X轴驱动机能够经水平方向运动控制杆控制喷头沿X轴方向运动；Z轴驱动机连接沿竖直方向设置的竖直方向运动控制杆，竖直方向运动控制杆连接接收机构，Z轴驱动机能够经竖直方向运动控制杆控制接收机构沿竖直方向运动，Y轴驱动机连接沿Y轴方向设置的Y轴控制杆，Y轴控制杆连接接收机构，Y轴驱动机能够经Y轴控制杆控制接收机构沿Y轴方向运动。通过这些控制调节机构可实现对打印喷头的三维方向精准定位，为复杂模型的成型提供了保障。

优选地，所述的数据输入与控制机构包括电源、操作面板、USB接口、显示屏和外壳，外壳上设有操作面板、USB接口和显示屏，操作面板、USB接口和显示屏连接控制单元，控制单元连接电源、打印驱动控制机构和挤出成型机构。设计好的模型经切片以后由USB接口传输至打印机，通过操作面板对输入的模型进行打印前打印参数调节，主要包括：打印速度、温度等，设置好的参数可在显示屏上显示，以便查看，打印过程中由电源为打印机持续供电以保证打印过程顺利完成。

优选地，所述的拉胀几何结构为内凹六边形、星形、双箭头形、人字形、内凹蜂窝、内凹菱形、正弦结构、手型结构和旋转结构中的至少一种。所述挤出成型机构的出料口的拉胀几何结构形状不会对最终成型的拉胀纱外观形态产生影响，而是在出料口挤出的微米单丝尺度上赋予其拉胀结构式截面形态。挤出过程中，熔融材料截面形态由出料口形状决定。

优选地，所述的出料口的拉胀几何结构均为薄壁结构，薄壁厚度与轮廓外径的比可以为0.1-0.5。

优选地，所述的挤出成型机构的出料口可按照水平的方式逐根、逐层打印，也可以按照横截面的法线方向逐段、逐层打印。

优选地，所述的挤出成型机构包括多个喷头，拉胀几何结构由多个拉胀几何结构单元组合而成，不同喷头的拉胀几何结构单元尺寸、纵横比可调，满足现有对较大拉胀效应的要求。

更优选地，所述的多个喷头可实现在同一模型内不同部位采用不同模量打印材料成型，也可通过采用具有不同拉胀几何结构的出料口来使挤出成型机构的出料口挤出的微米单丝具有不同拉胀结构，以满足实际中要求同一材料在不同部位的拉胀效应不同的需求。

优选地，所述的挤出成型机构的出料口挤出的微米单丝为中空拉胀纤维单丝，所述中空纤维单丝的拉胀结构单元的角度、纵横比可根据不同中空度的需求来调节，此外，所述出料口的直径可调，以控制纤维单丝的尺度范围。

优选地，所述的拉胀纤维可直接堆砌成多种纺织品，包括纱线、织物及其复合物；且将所打印的拉胀纤维按圆柱形、椭圆柱、星形、内凹蜂窝形等方式堆砌成纱线，或将所打印的拉胀纤维按长方体、正方体、菱形、网孔形等形状堆砌成无纬布或非织造布；本发明打印出的纤维、纱线、无纬布和非织造布，均具有拉胀效应。

本发明还提供了一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法，其特征在于，采用上述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，包括：

步骤1：将计算机辅助设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片后通过数据输入与控制机构的USB接口导入到控制单元，并通过操作面板和显示屏配合设置好打印参数(如打印速度、温度等)；

步骤2：将打印材料输入到喷头，开始打印后，打印材料进入喷头后被熔融，后在喷头挤出驱动作用下从出料口挤出到接收机构的热床上，整个打印过程中，打印驱动控制机构对喷头位置进行精确控制，实现设计拉胀纤维、纱线或其制品三维模型的精确打印；

步骤3：关闭打印机，并将打印好的拉胀纤维、纱线或其制品从热床上取下，得到设计的拉胀纤维、纱线或其制品。

优选地，所述的打印材料经由具有拉胀几何结构的出料口挤出，挤出的纤维状单丝截面具有与出料口相同的拉胀几何结构，且打印输出的拉胀纱内的每根纤维单丝都具有与出料口相同的拉胀几何结构。

优选地，所述拉胀纤维同时可按照空间结构堆砌成除纱线外其它的制品(织物、非织布等)

优选地，所述拉胀纱可以通过纤维单丝堆砌为有捻纱或无捻纱，所述有捻和无捻纱均可采用同一喷头挤出的单一拉胀几何结构的纤维单丝成型，也可采用多个喷头挤出的不同几何拉胀结构的纤维单丝复合成型或者通过喷洒粘结粉末粘结成型。

本发明还提供了一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的用途，其特征在于：所述拉胀纤维、纱线可用于纱线、织物、毡、产品填充物等功能纺织品实现缓冲、减震及复杂曲面造型的美观性能；如：运动鞋垫、安全座椅、护膝护腕等等，此外，所述拉胀纤维、纱线可用于与自调节材料复合实现最小运输体积、调湿调气等智能纺织品的设计与成型。

本发明的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置包括按拉胀纱和制品成型过程依次设置的数据输入与控制机构、打印驱动控制机构、挤出成型机构和接收机构。

本发明提供了一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法、装置，同时提出了几种拉胀结构，并专门针对3D打印系统进行一定改进，通过使3D打印机喷头呈拉胀结构，使得挤出的纤维单丝呈拉胀结构，最终再通过设计具有拉胀效应结构模型的纱线，使得最终的纱线在纤维单丝和宏观外表结构上均具有拉胀效应。与常规拉胀纱加工方法相比，本发明系统加工流程简单，只需要将三维模型数据导入3D打印机即可制造多种结构的拉胀效应优、结构稳定的拉胀纱，满足拉胀纱在各个层次领域的广泛应用。

本发明适用于所有设计的模型，截面本身的拉胀结构式几何形状不会对最终模型的外观形态产生影响，特别地，采用本发明的加工装置可对传统纺纱系统难以生产的具有特殊外观形态的纱线进行加工，且拉胀式几何结构出料口的设计不会对最终成纱所需宏观外观形态产生影响。此外，本发明加工流程简单，生产效率高，省去了传统纺纱繁琐的加工工序，只需要将设计好的模型提前切片处理成3D打印机可识别的格式，导入打印机就可以打印出负泊松效果好、结构稳定的拉胀纱，很大程度上节约了人力、物力，满足自动化生产需求。

本发明将输入到挤出成型机构的材料变成具有拉胀结构的纤维状单丝，赋予纤维状单丝拉胀效应，再通过模型设计赋予打印模型拉胀几何结构，这不仅使打印得到的拉胀纱具有优异的负泊松效应，而且通过调节挤出成型机构出料口拉胀结构的尺寸和形状，可实现不同拉胀效应的拉胀纱的制备。

本发明着重于挤出成型机构出料口区域设计，通过挤出成型机构拉胀式的出料口，使挤出的纤维状单丝截面呈拉胀结构，再随时间使大量这种纤维状单丝堆积形成具有拉胀效应的纱线。这种方式形成的拉胀纱在拉伸和压缩时具有拉伸膨胀和挤缩效应。

本发明的原理在于：拉胀纱或制品是通过具有拉胀几何结构式截面的纤维状单丝经过3D打印堆积成具有拉胀效应的拉胀纱或制品而成型的，在受到拉伸时，纤维状单丝截面的拉胀结构单元得到伸展使纱线或制品垂直作用力方向产生膨胀，这些结构单元的合成作用使拉胀纱或制品整体表观轮廓增大，进而呈现出较大的拉胀效应。

本发明原理实现的技术方法是：打印材料进入打印喷头熔融，经过具有拉胀结构的出料口挤出形成具有拉胀结构的纤维单丝，纤维单丝在接收机构上按照模型设计要求，随时间逐渐堆积完成具有拉胀效应的拉胀纱或制品的制造。同时，基于出料口设计的灵活性，该拉胀纱或制品加工装置出料口适用于各种具有类似出料口的加工装置，如：熔融纺丝、溶液纺丝、静电纺丝等，实施流程简单且加工效率高，适用于推广使用。

本发明还提供了一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法，将所打印的拉胀纤维按圆柱形或椭圆柱形方式堆砌成纱线，或将所打印的拉胀纤维按长方体堆砌成无纬布或非织造布。本发明打印出的纤维、纱线、无纬布和非织造布，均具有拉胀效应。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、相比传统拉胀纱加工方式，该拉胀纱制备方法突破了已有负泊松比纱以弹性长丝芯纱和刚性包缠长丝为原料的局限性，拓宽了拉胀纱线的结构多样性和应用范围。

2、该拉胀纱结构的几何结构选择范围广，出料口的拉胀结构式几何形状的特殊设计不会对最终模型的外观形态产生影响，只要可切片成适合3D打印的模型都可利用本发明的加工装置进行拉胀纱的制备；

3、该拉胀纱具有较大的负泊松比且结构稳定，可直接应用于多个领域，如功能性服装、复合材料、交通运输、医疗卫生、减振缓冲材料等领域有较好的应用前景。

附图说明

图1为3D打印的拉胀纤维及其制品的加工装置主视图；

图2为3D打印的拉胀纤维及其制品的加工装置出料口可用截面形状；

图3为3D打印的拉胀纱的正视图；

图4为3D打印的拉胀纱A-A截面正视图；

图5(a)至5(f)为3D打印的拉胀纱表面可用拉胀结构单元；

图6为内凹六边形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

图7为星形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

图8为双箭头形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

图9为内凹六边形-星形复合拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

图10为内凹六边形-双箭头形复合拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

图11为星形-双箭头形复合拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图；(a)拉伸前；(b)拉伸后；

附图标记说明：

1一数据输入与控制机构，11一电源、12一操作面板、13一USB接口、14一显示屏、15一外壳。

2一打印驱动控制机构，21一水平方向运动控制杆、22一Z轴驱动机、23一Y轴驱动机、24一竖直方向运动控制杆、25一X轴驱动机；

3一挤出成型机构，31一熔融材料、32一出料口、33一喷头、34一喷头挤出驱动装置、35一打印材料；

4一接收机构，41一底座、42一支撑杆、43一支撑台、44一热床；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解：以下所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制。此外，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

实施例1-9均采用基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，图1和图2分别为基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置主视图和挤出成型机构出料口可用截面形状，所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，包括用于将打印材料35熔融并从具有拉胀几何结构的出料口32挤出的挤出成型机构3；用于接收挤出成型机构挤出的熔融材料并逐渐使熔融材料堆积形成所需要的拉胀纤维、纱线或其制品的接收机构；以及用于带动挤出成型机构3以及接收机构4运动以完成拉胀纱3D打印成型的打印驱动控制机构2；还包括用于输入计算机辅助设计软件设计的三维模型以及打印相关参数，并根据所输入的打印相关参数以及计算机辅助设计软件设计的三维模型分别控制挤出成型机构3将打印材料熔融挤出以及打印驱动控制机构2带动挤出成型机构3以及接收机构4运动的数据输入与控制机构1。

所述的数据输入与控制机构1包括电源11、操作面板12、USB接口13、显示屏14和外壳15，外壳15上设有操作面板12、USB接口13和显示屏14，操作面板12、USB接口13和显示屏14连接控制单元，控制单元连接电源11、打印驱动控制机构2和挤出成型机构3。设计好的模型经切片以后由USB接口13传输至打印机，通过操作面板12对输入的模型进行打印前打印参数调节，主要包括：打印速度、温度等，设置好的参数可在显示屏14上显示，以便查看，打印过程中由电源11为打印机持续供电以保证打印过程顺利完成。所述的控制单元可采用现有的3D打印机的控制单元。所述的显示屏14可以实现人机交互，输入打印相关参数；控制单元驱动Z轴驱动机22、X轴驱动机25、Y轴驱动机23按设定程序控制喷头33和接收机构4的移动，控制单元还可控制喷头33的熔融温度，控制单元还可控制喷头挤出驱动装置34以控制打印速度。

所述的打印驱动控制机构2、挤出成型机构3和接收机构4设于外壳15内。

所述的打印驱动控制机构2包括水平方向运动控制杆21、Z轴驱动机22、Y轴驱动机23、竖直方向运动控制杆24和X轴驱动机25，X轴驱动机25连接沿X轴方向设置的水平方向运动控制杆21，水平方向运动控制杆21连接挤出成型机构3的喷头33，X轴驱动机25能够经水平方向运动控制杆21控制喷头33沿X轴方向运动；Z轴驱动机22连接沿竖直方向设置的竖直方向运动控制杆24，竖直方向运动控制杆24连接接收机构4的支撑台43，Z轴驱动机22能够经竖直方向运动控制杆24控制接收机构4的支撑台43沿竖直方向运动，Y轴驱动机23连接沿Y轴方向设置的Y轴控制杆，Y轴控制杆连接接收机构4的热床44，Y轴驱动机23能够经Y轴控制杆控制接收机构4的热床44沿Y轴方向运动。通过这些控制调节机构可实现对喷头33的三维精准定位，为复杂模型的成型提供了保障。此外，X轴驱动机25设于水平方向运动控制杆21上，并与底座41所在平面平行，Y轴驱动机23设于热床44与底座41之间，并与Y轴控制杆连接连接，控制热床沿Y轴方向运动，Z轴驱动机22设于底座41上方，并与支撑台43连接控制热床沿Z轴方向运动。

所述的挤出成型机构3包括喷头挤出驱动装置34，喷头挤出驱动装置34连接喷头33，出料口32设于喷头33的下端，打印材料35进入喷头33熔融，熔融材料31在喷头挤出驱动装置34作用下由出料口32挤出，出料口32的拉胀式几何结构与熔融材料31截面相一致。挤出过程中，熔融材料31截面形态由出料口32形状决定。所述的喷头挤出驱动装置34按设定速度将材料从出料口32挤出。

所述的接收机构4包括由下而上装配的底座41、支撑杆42、支撑台43和热床44；底座41上设有支撑杆42，支撑杆42上设有支撑台43，支撑台43上设有热床44。热床44对出料口32输出的拉胀纤维状单丝提供接受平台，以便后续挤出的材料与其接触并按照设计要求堆积形成要求的拉胀纱。

所述的出料口32的拉胀几何结构均为中空薄壁结构，如图2所示，薄壁厚度与拉胀几何结构轮廓外径的比为0.1-0.5。

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。实施例1-10中的原材料及设备为国家重点研发计划(2016YFC0802802)资助项目。下面以几个具体的实施例说明本发明装置的使用方法。

以下实施例所用的PLA打印材料为polymaker生产，线径为1.75mm，打印温度为205-235℃，颜色为白色；TPU为polymaker生产，线径为1.75mm，打印温度为220-235℃，颜色为白色；ABS为SUNLU生产，线径为1.75mm，打印温度为220-240℃，颜色为白色。

实施例1 内凹六边形拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形，如图2(a)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形，如图2(a)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元也为内凹六边形，如图5(a)所示。

上述的基于3D打印的拉胀纱的加工方法为：

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为10mm/s、熔融温度为205℃、热床温度50℃)。

选用PLA作为打印材料35，将PLA经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为内六边形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为内凹六边形拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-0.5。

内凹六边形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图6所示，具体实施参数见表1。

实施例2 星形拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为星形，如图5(b)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为30mm/s、熔融温度为205℃、热床温度50℃)。

选用PLA作为打印材料35，将PLA经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，，随着时间，挤压出的截面为内六边形和星形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为星形拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-1。

星形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图7所示，具体实施参数见表1。

实施例3 双箭头形拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为星形，如图2(b)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为星形，如图2(b)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为双箭头形，如图5(c)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为20mm/s、熔融温度为230℃、热床温度52℃)。

选用TPU作为打印材料35，将TPU经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为星形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为双箭头形拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-0.8。

双箭头形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图8所示，具体实施参数见表1。

实施例4 内凹六边形-星形复合结构拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为星形和双箭头形，如图2(b)和2(c)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为星形和双箭头形，如图2(b)和2(c)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为内凹六边形-星形复合结构，如图5(d)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为5mm/s、熔融温度为230℃、热床温度50℃)。

选用TPU作为打印材料35，将TPU经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为星形和双箭头形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为内凹六边形-星形复合拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为：-2。

内凹六边形-星形复合结构拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图9所示，具体实施参数见表1。

实施例5 内凹六边形-双箭头形复合结构拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形和双箭头形，如图2(a)和2(c)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形-双箭头，如图2(a)和2(c)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为内凹六边形-双箭头形复合结构，如图5(e)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为10mm/s、熔融温度为220℃、热床温度52℃)。

选用PLA和TPU作为打印材料35，分别将PLA和TPU经进料口进入挤出成型机构3的两个喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为内凹六边形和双箭头形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为内凹六边形-双箭头形复合拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-0.5。

内凹六边形-双箭头形复合结构拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图10所示，具体实施参数见表1。

实施例6 星形-双箭头形复合结构拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形，如图2(a)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形，如图2(a)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为星形-双箭头形复合结构，如图5(f)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为60mm/s、熔融温度为230℃、热床温度80℃)。

选用ABS作为打印材料35，将ABS经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为内凹六边形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为星形-双箭头形复合拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-1。

星形-双箭头形复合结构拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图11所示。具体实施参数见表1。

实施例7 内凹六边形拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为星形和双箭头形，如图2(b)和2(c)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为星形和双箭头形，如图2(b)和2(c)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为内凹六边形，如图5(a)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为10mm/s、熔融温度为230℃、热床温度60℃)。

选用ABS和TPU作为打印材料35，分别将ABS和TPU经进料口进入挤出成型机构3的两个喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，，随着时间，挤压出的截面为星形和双箭头形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为内凹六边形拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱。

内凹六边形拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图6所示，具体实施参数见表1。

实施例8 内凹六边形-星形复合结构拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为星形，如图2(b)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为星形，如图2(b)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为内凹六边形-星形复合结构，如图5(a)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为10mm/s、熔融温度为230℃、热床温度80℃)。

选用ABS作为打印材料35，将ABS经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为星形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为内凹六边形-星形复合拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-1.5。

内凹六边形-星形复合结构拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图6所示，具体实施参数见表1。

实施例9 星形拉胀纱的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，构成拉胀纱的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，拉胀纱表面宏观结构的拉胀结构单元为星形，如图5(b)所示。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀纱三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为20mm/s、熔融温度为230℃、热床温度60℃)。

选用ABS和PLA作为打印材料35，分别将ABS和PLA经进料口进入挤出成型机构3的两个喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀纱三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为内凹六边形和星形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为星形拉胀结构的拉胀纱。关闭打印机，并将打印好的拉胀纱从热床44上取下，得到设计的拉胀纱，其负泊松比值为-0.5。

星形复合结构拉胀纱结构单元拉伸前后结构示意图如图7所示，具体实施参数见表1。

实施例10 星形拉胀织物的制备

出料口32的拉胀几何结构形状为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，构成拉胀织物的纤维状单丝的截面形态为内凹六边形和星形，如图2(a)和2(b)所示，拉胀织物表面宏观结构的拉胀结构单元为星形。

将solidworks三维模型设计软件设计好的拉胀织物三维模型经切片处理后由数据输入与控制机构数据输入与控制机构1的USB接口13导入控制单元，并通过操作面板12和显示屏14配合设置好打印参数(打印速度为20mm/s、熔融温度为210℃)。

选用光敏树脂作为打印材料35，将光敏树脂经进料口进入挤出成型机构3的喷头33，开始打印后，打印材料35进入喷头33后被熔融，后在喷头挤出驱动34作用下从出料口32挤出到接收机构4的热床44上，整个打印过程中，打印驱动控制机构2对喷头33和接收装置4位置进行精确控制，实现设计拉胀织物三维模型的精确打印，随着时间，挤压出的截面为内凹六边形和星形的纤维状单丝在热床44上堆积形成设计的表面为星形拉胀结构的拉胀织物。关闭打印机，并将打印好的拉胀织物从热床44上取下，得到设计的拉胀织物，其负泊松比值为-0.6。

表1实施例的具体实施参数

Claims (10)

1.一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，包括用于将打印材料熔融并从具有拉胀几何结构的出料口挤出的挤出成型机构(3)；用于接收挤出成型机构挤出的熔融材料并逐渐使熔融材料堆积形成所需要的拉胀纤维或其制品的接收机构(4)；以及用于分别带动挤出成型机构以及接收机构运动以完成拉胀纱3D打印成型的打印驱动控制机构(2)。

2.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置还包括用于输入计算机辅助设计软件设计的三维模型以及打印相关参数，并根据所输入的打印相关参数以及计算机辅助设计软件设计的三维模型分别控制挤出成型机构(3)将打印材料熔融挤出以及打印驱动控制机构(2)带动挤出成型机构(3)以及接收机构(4)运动的数据输入与控制机构(1)。

3.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的数据输入与控制机构(1)包括电源(11)、操作面板(12)、USB接口(13)、显示屏(14)和外壳(15)，外壳(15)上设有操作面板(12)、USB接口(13)和显示屏(14)，操作面板(12)、USB接口(13)和显示屏(14)连接控制单元，控制单元连接电源(11)、打印驱动控制机构(2)和挤出成型机构(3)。

4.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的接收机构(4)包括底座(41)、支撑杆(42)、支撑台(43)和热床(44)；底座上设有支撑杆(42)，支撑杆(42)上设有支撑台(43)，支撑台(43)上设有热床(44)。

5.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的挤出成型机构(3)包括喷头挤出驱动装置(34)，喷头挤出驱动装置(34)连接喷头(33)，出料口设于喷头(33)的下端，打印材料(35)进入喷头(33)熔融，熔融材料在喷头挤出驱动装置(34)作用下由出料口(32)挤出，出料口(32)的拉胀式几何结构与熔融材料截面相一致。

6.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的打印驱动控制机构(2)包括Z轴驱动机(22)、Y轴驱动机(23)和X轴驱动机(25)，其中X轴驱动机(25)连接控制喷头沿X轴方向运动，Z轴驱动机(22)和Y轴驱动机(23)分别控制接收机构(4)沿着Z轴和Y轴运动，从而实现三维方向的打印。

7.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的打印驱动控制机构(2)包括水平方向运动控制杆(21)、Z轴驱动机(22)、Y轴驱动机(23)、竖直方向运动控制杆(24)和X轴驱动机(25)，X轴驱动机(25)连接沿X轴方向设置的水平方向运动控制杆(21)，水平方向运动控制杆(21)连接挤出成型机构的喷头(33)，X轴驱动机(25)能够经水平方向运动控制杆(21)控制喷头沿X轴方向运动；Z轴驱动机(22)连接沿竖直方向设置的竖直方向运动控制杆(24)，竖直方向运动控制杆(24)连接接收机构(4)，Z轴驱动机(22)能够经竖直方向运动控制杆(24)控制接收机构(4)沿竖直方向运动，Y轴驱动机(23)连接沿Y轴方向设置的Y轴控制杆，Y轴控制杆连接接收机构(4)，Y轴驱动机(23)能够经Y轴控制杆控制接收机构(4)沿Y轴方向运动。

8.如权利要求1所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，其特征在于，所述的拉胀几何结构为内凹六边形、星形、双箭头形、人字形、内凹蜂窝、内凹菱形、正弦结构、手型结构和旋转结构中的至少一种。

9.一种基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的基于基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工装置，包括：

步骤1：将计算机辅助设计软件设计好的拉胀纤维、纱线或其制品的三维模型经切片后通过数据输入与控制机构(1)的USB接口(13)导入到控制单元，并通过操作面板(12)和显示屏(14)配合设置好打印参数；

步骤2：将打印材料(35)输入到喷头(33)，开始打印后，打印材料(35)进入喷头(33)后被熔融，后在喷头挤出驱动(34)作用下从出料口(32)挤出到接收机构(4)的热床(44)上，得到打印的拉胀纤维单丝、纱线或其制品；整个打印过程中，打印驱动控制机构(2)对喷头(33)和接收装置的位置进行精确控制，实现拉胀纤维、纱线或其制品的三维模型的精确打印；

步骤3：关闭打印机，并将打印好的拉胀纤维、纱线或其制品从热床(44)上取下，得到设计的拉胀纤维、纱线或其制品。

10.权利要求8所述的基于3D打印的拉胀纤维、纱线或其制品的加工方法所制备的拉胀纤维、纱线或其制品在制造运动鞋垫、安全座椅、护膝护腕、或与自调节材料复合制造智能纺织品中的应用。