基于正交试验的CNT/PDMS 复合材料直写打印参数优化

陆晗婧，陈志刚，2，李雅芳，肖 洋

（1.邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000；2.高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000）

0 引言

由于碳纳米管（CNT）具有良好的导电性和机械性能，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）价格便宜、力学性能好，能作为柔性电极基底材料。越来越多的学者对其进行研究，将其应用于各种领域。Wang 将石墨烯和PDMS 混合制备出能够检测不同外界压力以及温度的传感器[1]。Fu 等利用CNT 和PDMS 混合制备了一种“三明治”结构的可识别手指弯曲活动的压阻式传感器，制作简便，成本也低廉[2]。自MWCNTs/PDMS 导电复合材料被制备成压阻应变传感器应用在结构健康监测以来，单壁碳纳米管薄膜[3]、多壁碳纳米管薄膜[4]、碳纤维束[5]、碳纳米管和聚合物的复合材料[6-7]等作为传感器材料在感测压力变化领域的研究上得到越来越多学者的重视。

由于直写打印技术可以根据打印需求配制墨水，材料限制性小，还可以通过材料本身属性以控制打印精度，并且可以控制打印器件的材料成分、组成结构，从而使打印器件的功能得到优化[8]。Chen 等将直写打印技术应用于碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料的制造中[9]。Xu 等将直写打印技术应用到CNT/PDMS 复合材料的制造中，验证了该材料的可打印性，为后续该材料的复杂结构制造以及在柔性传感电子设备中的应用奠定基础[10]。故选择使用直写打印的方式进行CNT/PDMS复合材料的打印。而打印参数的设置会影响打印的平整度，继而影响其传感性能，故通过正交实验设计来进行打印参数的优化。

探讨所使用的直写打印平台，配制了CNT/PDMS的打印墨水以及对打印结构进行了设计，然后选取了打印速度、扫描间距和层厚三个因素为主要影响因素，选取了各因素具有代表性的三个水平进行了正交试验的设计及实验，通过极差和方差的分析获得了最优打印参数，旨在获得较为平整的打印效果及为后续传感性能的优化作参考。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

本次实验设备主要使用超声波清洗机、磁力搅拌器、直写打印平台以及鼓风干燥箱。下面主要介绍直写打印平台。

直写打印平台包含四部分：材料挤出系统、三轴运动平台、控制面板和成型平台。

图1 直写打印平台

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程

先配制CNT/PDMS 打印墨水，利用Solidworks 软件建模再用切片软件进行切片后，设置不同的参数进行复合材料的打印，测量各个试样的宽度和厚度，再经过正交试验找出最优水平组合的打印参数以得到表面平整度好的材料。

1.2.2 打印墨水的配制

碳纳米管（CNT）的导电性好，机械性能也较为稳定，可以用作流变改性添加剂，PDMS 作为柔性材料，便宜、容易加工、力学性能好，能作为柔性电极基底材料。由于异丙醇能与CNT 亲和且与PDMS 互溶，且异丙醇和CNT 与PDMS 分别超声分散后并不会发生分层，有良好的分散效果。

如图2 所示，先在烧杯中加入异丙醇再混合碳纳米管，密封后进行超声分散；再加入PDMS A 组分，搅拌至基本溶解再进行超声分散；把混合溶液进行磁力搅拌，温度为80 ℃，转速设置为400 r/min，直至异丙醇基本挥发，搅拌时不可转速设置过高，否则会导致CNT 含量减小。最后加入PDMS B 组分并搅拌均匀，得到CNT/PDMS 打印墨水。

图2 配置CNT/PDMS 墨水流程图

1.2.3 打印结构的制作

利用SOLIDWORKS 绘制一个20 mm × 20 mm ×1.8 mm 长方体打印模型，以STL 格式进行保存，再利用切片软件进行打印参数设置，将设置好的文件以G代码形式导出。然后利用空气压缩机调整直写打印平台在打印时的挤出气压，调整打印速度、扫描间距和层厚，使用内径为0.45 mm 的卡口塑钢平头针管来打印材料。

1.2.4 正交试验设计

正交试验设计是一种研究多因素多水平的设计方法，它是根据正交性从全部试验中挑选出部分均匀分散、齐整可比的点进行试验。

为了提高材料的表面平整度和传感性能，选择一个合适的挤出压力，再分析打印速度、层厚及扫描间距对表面宽度及厚度的影响。故本实验设置打印速度、扫描间距和层厚作为正交试验的3 个主要影响因素，进行三因素三水平正交试验，各因素均取3 个代表值，进行9 组实验。正交试验因素水平见表1。

本文章主要针对继续医学教育管理下的教育改革以及调整进行分析，问题主要集中于专业人才供需结构以及数量的不平衡、人才培养机制不健全以及政府宏观调控欠缺等，这些都影响到就业结构的矛盾深化，甚至影响到社会经济稳定和持续发展。故此，提出了相关的解决途径，结合21世纪我国经济科技的发展现状，提出了要完善人才资源配置的宏观调控等措施。希望可以通过这些分析，能够有效地帮助减少甚至化解我国就业的结构性矛盾，促进我国教育事业持续稳定发展。

表1 正交试验因素水平

2 影响打印试样平整度的因素

2.1 挤出气压

由于打印针管中的复合材料需要一定压力才能顺利挤出，故需要经过调整找到一个合适的挤出气压，才能保证打印时出丝顺畅，线条一致，结构立体。若挤出气压过小，则打印墨水可能无法挤出，或丝线过细、挤出墨水不连续；若挤出气压过大，则丝径过大，可能形成堆积。

将挤出气压设置在150 ～300 kPa 之间，采用0.45 mm 径口的针头进行打印作线宽的对比，如图3所示，发现气压越大则材料挤出越多，丝线发生缠绕，线宽越宽，反之。当挤出气压为150 kPa 时，材料挤出及成型困难，丝线极细且易断；当挤出气压为300 kPa时，丝线宽度过宽，材料发生堆叠，由于结构塌陷整体打印形状扩大；当挤出气压为200 kPa 时，线宽为0.48 mm，接近于针头直径，故选择200 kPa 的挤出气压进行打印。

图3 挤出气压对线宽的影响

2.2 打印速度

打印速度决定了在打印时针管移动的速度。打印速度越大，则线宽越小，但是速度过快会导致在拐弯处材料被带走，成为一条直线，无法顺利拐弯，影响整体形状的形成；打印速度越小，则线宽越大，并且打印的线条可能会发生弯曲，甚至堆积在一处。所以为了保证打出流畅且成型效果好的线条，要保证速度适中。

2.3 扫描间距

扫描间距的大小对打印平面的平整度存在影响，也会影响打印网孔电极及搭桥宽度能否成功。扫描间距越小，则丝线越容易产生堆积，竖直方向上高度会过高，水平方向上长宽会挤压扩大，难以跨距打印结构；扫描间距越大，则丝线间的距离越远，可能出现端部接触但顶部之间留有空隙或是丝线之间存在空隙，这种情况会导致无法形成良好的导电网络，影响材料导电性。

在显微镜下观察打印丝径为0.45 mm 的丝线横截面如图4（a）所示。由于截面形状接近于半个椭圆，两侧还有往外扩展的裙边，故将横截面分为两个区域，分别为半椭圆区及裙边区，利用CAD 对其进行尺寸标注，丝径宽度D= 2L + d，其中L为裙边长，d为半椭圆长轴长。半椭圆长轴长、裙边长及截面高度比为的d∶L∶H= 695∶150∶336。如图4（b）所示，若扫描间距T等于丝径横截面宽度D，则线条之间只是刚好互相接触，打印平面时表面不平整，会有间隙，导电性也不好；若扫描间距过小，则在打印时丝线会互相堆叠，影响丝线整体成型，并且结构容易发生塌陷。如图4（c）所示，若扫描间距T = d + L，则仅相邻两丝线的单侧裙边互相重合，整体形状保持较好，间距也适中，不会影响导电性能，T∶D=（d+L）∶（d+ 2L）=（695 +150）∶（695 + 300）= 0.849∶1。但考虑到实际使用时打印平面的平整及光滑度，将扫描间距略微减小，设定其比值为T∶D= 0.82∶1。

图4 丝线横截面及扫描间距与丝宽关系示意图

2.4 层厚

经过单点成形实验，以及扫描间距的确定确保打印CNT/PDMS 能够在二维空间上得到很好的控制。但是要实现复杂结构的打印，对高度方向形状的控制尤为重要，决定打印时高度方向的尺寸控制的关键参数为层厚。

3 正交试验结果与分析

用游标卡尺测量如图5 所示的9 个试样的底面正方形的宽度以及总体厚度，记录各试样宽度、厚度，将三因素三水平进行组合，设计正交试验方案见表2。

表2 正交试验方案设计及各试样宽度、厚度

图5 正交试验9 个试样

3.1 极差分析

极差可以反应变量分布的离散程度，极差越大则离散程度越大。故在此可以使用极差来反映三个因素对表面平整度的影响大小，极差越大则该因素的水平变化对该指标的影响越大，该因素越重要。

3.1.1 宽度极差分析

宽度极差计算结果见表3，打印速度、扫描间距、层厚的极差分别为2.7、1.3、3.4，由此可得对打印表面宽度影响由大到小排列的因素为：层厚＞打印速度＞扫描间距。再对比同一因素不同水平下的均值k，则可以得到不同水平对指标影响的大小。根据均值得到如图6 所示，打印速度以第1 个水平即15 mm/s 最优，扫描间距以第3 个水平即0.45 mm 最优，层厚以第1个水平即0.15 mm 最优。综上所述分析可得：对于宽度来说，最优因素为层厚，最优组合为打印速度15 mm/s，扫描间距0.45 mm，层厚0.15 mm。

表3 宽度极差分析表

图6 影响宽度因子各水平均值图

3.1.2 厚度极差分析

厚度极差计算结果见表4，打印速度、扫描间距、层厚得极差分别为0.46、0.21、3.07，由此可得对打印表面厚度影响由大到小排列的因素为：层厚＞打印速度＞扫描间距。再对比同一因素不同水平下的均值k，则可以得到不同水平对指标影响的大小。根据均值得到如图7 所示，打印速度以第1 个水平即15 mm/s 最优，扫描间距以第1 个水平即0.30 mm 最优，层厚以第1 个水平即0.15 mm 最优。综上可得：对于厚度来说，最优因素为层厚，最优组合为打印速度15 mm/s，扫描间距0.30 mm，层厚为0.15 mm。

表4 厚度极差分析表

图7 影响厚度因子各水平均值图

3.2 方差分析

方差分析用于分析定类数据与定量数据之间的关系情况。

3.2.1 宽度方差分析

从三个因素的方差分析结果见表5。由表5 可知：打印速度呈显著性（F= 247.960，P= 0.004 ＜0.05），说明主效应存在；扫描间距呈显著性（F=45.640，P= 0.021 ＜0.05），说明主效应存在；层厚呈显著性（F= 316.120，P= 0.003 ＜0.05），说明主效应存在。并且P值越小说明该因素对于打印宽度的影响越大，按照P值由小到大进行排列：层厚＞打印速度＞扫描间距，与极差分析结果一致。

表5 宽度方差分析

R方= 0.998（调整后R方= 0.993）

3.2.2 厚度方差分析

从3 个因素的方差分析结果见表6。由表6 知，打印速度呈显著性（F= 215.583，P= 0.005 ＜0.05），说明主效应存在；扫描间距呈显著性（F= 20.271，P=0.047 ＜0.05），说明主效应存在；层厚呈显著性（F=4473.083，P= 0.000 ＜0，05），说明主效应存在。并且P值越小说明该因素对于打印厚度的影响越大，按照P值由小到大进行排列：层厚＞打印速度＞扫描间距，与极差分析结果一致。

表6 厚度方差分析

R方= 1.000（调整后R方=0.999）

4 结语

通过配制CNT/PDMS 的打印墨水，再来分析影响打印表面平整度的几个主要因素，选取打印速度、扫描间距和层厚三个为主要影响因素，设计了三因素三水平的正交试验。在实验中选取挤出气压为200 kPa，孔径为0.45 mm 的针头进行打印，选取了三个有代表性的水平进行分析，打印了9 个试样，测量了宽度和厚度，通过极差和方差分析可得，三因素对宽度和厚度影响程度排序为：层厚＞打印速度＞扫描间距。根据极差和均值分析可得：影响宽度的最优组合为打印速度15 mm/s，扫描间距0.45 mm，层厚0.15 mm。影响厚度的最优组合为打印速度15 mm/s，扫描间距0.30 mm，层厚为0.15 mm。