基于正交試驗的CNT/PDMS 復合材料直寫打印參數優化

陸晗婧，陳志剛，2，李雅芳，肖 洋

（1.邵陽學院機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000）

0 引言

由于碳納米管（CNT）具有良好的導電性和機械性能，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）價格便宜、力學性能好，能作為柔性電極基底材料。越來越多的學者對其進行研究，將其應用于各種領域。Wang 將石墨烯和PDMS 混合制備出能夠檢測不同外界壓力以及溫度的傳感器[1]。Fu 等利用CNT 和PDMS 混合制備了一種“三明治”結構的可識別手指彎曲活動的壓阻式傳感器，制作簡便，成本也低廉[2]。自MWCNTs/PDMS 導電復合材料被制備成壓阻應變傳感器應用在結構健康監測以來，單壁碳納米管薄膜[3]、多壁碳納米管薄膜[4]、碳纖維束[5]、碳納米管和聚合物的復合材料[6-7]等作為傳感器材料在感測壓力變化領域的研究上得到越來越多學者的重視。

由于直寫打印技術可以根據打印需求配制墨水，材料限制性小，還可以通過材料本身屬性以控制打印精度，并且可以控制打印器件的材料成分、組成結構，從而使打印器件的功能得到優化[8]。Chen 等將直寫打印技術應用于碳化硅/碳纖維陶瓷復合材料的制造中[9]。Xu 等將直寫打印技術應用到CNT/PDMS 復合材料的制造中，驗證了該材料的可打印性，為后續該材料的復雜結構制造以及在柔性傳感電子設備中的應用奠定基礎[10]。故選擇使用直寫打印的方式進行CNT/PDMS復合材料的打印。而打印參數的設置會影響打印的平整度，繼而影響其傳感性能，故通過正交實驗設計來進行打印參數的優化。

探討所使用的直寫打印平臺，配制了CNT/PDMS的打印墨水以及對打印結構進行了設計，然后選取了打印速度、掃描間距和層厚三個因素為主要影響因素，選取了各因素具有代表性的三個水平進行了正交試驗的設計及實驗，通過極差和方差的分析獲得了最優打印參數，旨在獲得較為平整的打印效果及為后續傳感性能的優化作參考。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗設備

本次實驗設備主要使用超聲波清洗機、磁力攪拌器、直寫打印平臺以及鼓風干燥箱。下面主要介紹直寫打印平臺。

直寫打印平臺包含四部分：材料擠出系統、三軸運動平臺、控制面板和成型平臺。

圖1 直寫打印平臺

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗流程

先配制CNT/PDMS 打印墨水，利用Solidworks 軟件建模再用切片軟件進行切片后，設置不同的參數進行復合材料的打印，測量各個試樣的寬度和厚度，再經過正交試驗找出最優水平組合的打印參數以得到表面平整度好的材料。

1.2.2 打印墨水的配制

碳納米管（CNT）的導電性好，機械性能也較為穩定，可以用作流變改性添加劑，PDMS 作為柔性材料，便宜、容易加工、力學性能好，能作為柔性電極基底材料。由于異丙醇能與CNT 親和且與PDMS 互溶，且異丙醇和CNT 與PDMS 分別超聲分散后并不會發生分層，有良好的分散效果。

如圖2 所示，先在燒杯中加入異丙醇再混合碳納米管，密封后進行超聲分散；再加入PDMS A 組分，攪拌至基本溶解再進行超聲分散；把混合溶液進行磁力攪拌，溫度為80 ℃，轉速設置為400 r/min，直至異丙醇基本揮發，攪拌時不可轉速設置過高，否則會導致CNT 含量減小。最后加入PDMS B 組分并攪拌均勻，得到CNT/PDMS 打印墨水。

圖2 配置CNT/PDMS 墨水流程圖

1.2.3 打印結構的制作

利用SOLIDWORKS 繪制一個20 mm × 20 mm ×1.8 mm 長方體打印模型，以STL 格式進行保存，再利用切片軟件進行打印參數設置，將設置好的文件以G代碼形式導出。然后利用空氣壓縮機調整直寫打印平臺在打印時的擠出氣壓，調整打印速度、掃描間距和層厚，使用內徑為0.45 mm 的卡口塑鋼平頭針管來打印材料。

1.2.4 正交試驗設計

正交試驗設計是一種研究多因素多水平的設計方法，它是根據正交性從全部試驗中挑選出部分均勻分散、齊整可比的點進行試驗。

為了提高材料的表面平整度和傳感性能，選擇一個合適的擠出壓力，再分析打印速度、層厚及掃描間距對表面寬度及厚度的影響。故本實驗設置打印速度、掃描間距和層厚作為正交試驗的3 個主要影響因素，進行三因素三水平正交試驗，各因素均取3 個代表值，進行9 組實驗。正交試驗因素水平見表1。

本文章主要針對繼續醫學教育管理下的教育改革以及調整進行分析，問題主要集中于專業人才供需結構以及數量的不平衡、人才培養機制不健全以及政府宏觀調控欠缺等，這些都影響到就業結構的矛盾深化，甚至影響到社會經濟穩定和持續發展。故此，提出了相關的解決途徑，結合21世紀我國經濟科技的發展現狀，提出了要完善人才資源配置的宏觀調控等措施。希望可以通過這些分析，能夠有效地幫助減少甚至化解我國就業的結構性矛盾，促進我國教育事業持續穩定發展。

表1 正交試驗因素水平

2 影響打印試樣平整度的因素

2.1 擠出氣壓

由于打印針管中的復合材料需要一定壓力才能順利擠出，故需要經過調整找到一個合適的擠出氣壓，才能保證打印時出絲順暢，線條一致，結構立體。若擠出氣壓過小，則打印墨水可能無法擠出，或絲線過細、擠出墨水不連續；若擠出氣壓過大，則絲徑過大，可能形成堆積。

將擠出氣壓設置在150 ～300 kPa 之間，采用0.45 mm 徑口的針頭進行打印作線寬的對比，如圖3所示，發現氣壓越大則材料擠出越多，絲線發生纏繞，線寬越寬，反之。當擠出氣壓為150 kPa 時，材料擠出及成型困難，絲線極細且易斷；當擠出氣壓為300 kPa時，絲線寬度過寬，材料發生堆疊，由于結構塌陷整體打印形狀擴大；當擠出氣壓為200 kPa 時，線寬為0.48 mm，接近于針頭直徑，故選擇200 kPa 的擠出氣壓進行打印。

圖3 擠出氣壓對線寬的影響

2.2 打印速度

打印速度決定了在打印時針管移動的速度。打印速度越大，則線寬越小，但是速度過快會導致在拐彎處材料被帶走，成為一條直線，無法順利拐彎，影響整體形狀的形成；打印速度越小，則線寬越大，并且打印的線條可能會發生彎曲，甚至堆積在一處。所以為了保證打出流暢且成型效果好的線條，要保證速度適中。

2.3 掃描間距

掃描間距的大小對打印平面的平整度存在影響，也會影響打印網孔電極及搭橋寬度能否成功。掃描間距越小，則絲線越容易產生堆積，豎直方向上高度會過高，水平方向上長寬會擠壓擴大，難以跨距打印結構；掃描間距越大，則絲線間的距離越遠，可能出現端部接觸但頂部之間留有空隙或是絲線之間存在空隙，這種情況會導致無法形成良好的導電網絡，影響材料導電性。

在顯微鏡下觀察打印絲徑為0.45 mm 的絲線橫截面如圖4（a）所示。由于截面形狀接近于半個橢圓，兩側還有往外擴展的裙邊，故將橫截面分為兩個區域，分別為半橢圓區及裙邊區，利用CAD 對其進行尺寸標注，絲徑寬度D= 2L + d，其中L為裙邊長，d為半橢圓長軸長。半橢圓長軸長、裙邊長及截面高度比為的d∶L∶H= 695∶150∶336。如圖4（b）所示，若掃描間距T等于絲徑橫截面寬度D，則線條之間只是剛好互相接觸，打印平面時表面不平整，會有間隙，導電性也不好；若掃描間距過小，則在打印時絲線會互相堆疊，影響絲線整體成型，并且結構容易發生塌陷。如圖4（c）所示，若掃描間距T = d + L，則僅相鄰兩絲線的單側裙邊互相重合，整體形狀保持較好，間距也適中，不會影響導電性能，T∶D=（d+L）∶（d+ 2L）=（695 +150）∶（695 + 300）= 0.849∶1。但考慮到實際使用時打印平面的平整及光滑度，將掃描間距略微減小，設定其比值為T∶D= 0.82∶1。

圖4 絲線橫截面及掃描間距與絲寬關系示意圖

2.4 層厚

經過單點成形實驗，以及掃描間距的確定確保打印CNT/PDMS 能夠在二維空間上得到很好的控制。但是要實現復雜結構的打印，對高度方向形狀的控制尤為重要，決定打印時高度方向的尺寸控制的關鍵參數為層厚。

3 正交試驗結果與分析

用游標卡尺測量如圖5 所示的9 個試樣的底面正方形的寬度以及總體厚度，記錄各試樣寬度、厚度，將三因素三水平進行組合，設計正交試驗方案見表2。

表2 正交試驗方案設計及各試樣寬度、厚度

圖5 正交試驗9 個試樣

3.1 極差分析

極差可以反應變量分布的離散程度，極差越大則離散程度越大。故在此可以使用極差來反映三個因素對表面平整度的影響大小，極差越大則該因素的水平變化對該指標的影響越大，該因素越重要。

3.1.1 寬度極差分析

寬度極差計算結果見表3，打印速度、掃描間距、層厚的極差分別為2.7、1.3、3.4，由此可得對打印表面寬度影響由大到小排列的因素為：層厚＞打印速度＞掃描間距。再對比同一因素不同水平下的均值k，則可以得到不同水平對指標影響的大小。根據均值得到如圖6 所示，打印速度以第1 個水平即15 mm/s 最優，掃描間距以第3 個水平即0.45 mm 最優，層厚以第1個水平即0.15 mm 最優。綜上所述分析可得：對于寬度來說，最優因素為層厚，最優組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.45 mm，層厚0.15 mm。

表3 寬度極差分析表

圖6 影響寬度因子各水平均值圖

3.1.2 厚度極差分析

厚度極差計算結果見表4，打印速度、掃描間距、層厚得極差分別為0.46、0.21、3.07，由此可得對打印表面厚度影響由大到小排列的因素為：層厚＞打印速度＞掃描間距。再對比同一因素不同水平下的均值k，則可以得到不同水平對指標影響的大小。根據均值得到如圖7 所示，打印速度以第1 個水平即15 mm/s 最優，掃描間距以第1 個水平即0.30 mm 最優，層厚以第1 個水平即0.15 mm 最優。綜上可得：對于厚度來說，最優因素為層厚，最優組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.30 mm，層厚為0.15 mm。

表4 厚度極差分析表

圖7 影響厚度因子各水平均值圖

3.2 方差分析

方差分析用于分析定類數據與定量數據之間的關系情況。

3.2.1 寬度方差分析

從三個因素的方差分析結果見表5。由表5 可知：打印速度呈顯著性（F= 247.960，P= 0.004 ＜0.05），說明主效應存在；掃描間距呈顯著性（F=45.640，P= 0.021 ＜0.05），說明主效應存在；層厚呈顯著性（F= 316.120，P= 0.003 ＜0.05），說明主效應存在。并且P值越小說明該因素對于打印寬度的影響越大，按照P值由小到大進行排列：層厚＞打印速度＞掃描間距，與極差分析結果一致。

表5 寬度方差分析

R方= 0.998（調整后R方= 0.993）

3.2.2 厚度方差分析

從3 個因素的方差分析結果見表6。由表6 知，打印速度呈顯著性（F= 215.583，P= 0.005 ＜0.05），說明主效應存在；掃描間距呈顯著性（F= 20.271，P=0.047 ＜0.05），說明主效應存在；層厚呈顯著性（F=4473.083，P= 0.000 ＜0，05），說明主效應存在。并且P值越小說明該因素對于打印厚度的影響越大，按照P值由小到大進行排列：層厚＞打印速度＞掃描間距，與極差分析結果一致。

表6 厚度方差分析

R方= 1.000（調整后R方=0.999）

4 結語

通過配制CNT/PDMS 的打印墨水，再來分析影響打印表面平整度的幾個主要因素，選取打印速度、掃描間距和層厚三個為主要影響因素，設計了三因素三水平的正交試驗。在實驗中選取擠出氣壓為200 kPa，孔徑為0.45 mm 的針頭進行打印，選取了三個有代表性的水平進行分析，打印了9 個試樣，測量了寬度和厚度，通過極差和方差分析可得，三因素對寬度和厚度影響程度排序為：層厚＞打印速度＞掃描間距。根據極差和均值分析可得：影響寬度的最優組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.45 mm，層厚0.15 mm。影響厚度的最優組合為打印速度15 mm/s，掃描間距0.30 mm，層厚為0.15 mm。