第38卷第1期2021年1月
吉林化工学院学报
JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY
V〇1.38N〇.l
Jan.2021
文章编号：丨 007-2853 (2021) 01 -0001 -03
马晓坤1<s，王瑞'，赵金德2，陆书来2，张扶摇3
(1.吉林化工学院石油化工学院，吉林吉林132〇23;2.吉林石化公司合成树脂厂，吉林吉林132021 ;3.中国石油华南
化工销售公司，广东广州510655)
摘要：利用3D打印技术，将质轻、高强的CF/ABS复合材料经过设计制备了多种形貌的复合扳手.自制碳纤维上浆剂有效地提高了碳纤维集束性和表面浸润性，与优选的高流动ABS树脂有良好的结合性.制 备的3D打印扳手可以因实际需要改善大小、口径和厚度，具有实际应用前景.通过对3D打印CF/ABS 复合扳手的质量及市场价格分析，此种方法制备的扳手价格在0.6元左右.低廉的价格和高的使用性能，有利于3D打印C F/A B S复合扳手进行日常推广. 关键词：3D打印；碳纤维;ABS树脂；扳手
中图分类号：069文献标志码：A DOI： 10.ki22-1249.2021.01.001
扳手是一种利用杠杆原理拧转螺栓、螺钉、螺 母和其他螺纹紧持螺栓或螺母的开口的常用安装 与拆卸工具.在汽车、航空、航天、铁道等不同行业 中，螺纹副连接装配作业对施加定量紧固力都有 所要求；又因螺栓、螺钉、螺母等紧固件的大小尺 寸不同，通常扳手都是以不同大小型号的一组形 式配备使用.
特别是在高空作业过程中，技术人员更需要 使用质轻且高强的扳手，防止意外脱手对其他人 员造成意外伤害；或因扳手破损，而导致高空作业 人员反复攀高而造成不安全因素的增加.因此，此 种质轻、高强的碳纤维复合材料扳手具有其应用 市场，值得进行推广.
顶空瓶
3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在 20世纪80年代得以发展和推广.3D打印是科技 融合体模型中最新的高“维度”的体现之一，3D 打印机的出现颠覆了部件设计依赖于生产工艺能 否实现的生产思路，任何复杂形状的设计均可以 直接从计算机图形数据中生成，并通过3D打印 机来实现.3D打印无需机械加工或模具，极大地 所缩短了产品的生产周期，提高了生产率，具有巨 大的市场潜力
另一方面，碳纤维材料因其高强、高模、质轻等优势已从高精尖的航空航天、风力发电、军工产 业逐步向民用、体育、娱乐等多个生活方面逐步拓 展.而3D打印技术的发展，也亟待有更多的功能 性新材料不断地推陈出新，不再局限在聚乳酸 (P L A)、聚碳酸酯（P C)、聚苯矾（P P S F)、A B S树 脂等单一树脂上.碳纤维复合材料进行快速生产，有利于提供更加高强、质轻的3D打印材料, 有利于拓展碳纤维的应用领域向更加多元化的日 常民品方面全面发展.
本文利用3D打印技术，将C F/A B S复合材 料[M]设计制备了多种形貌的复合材料扳手，此 种扳手的大小、口径、厚度均可控制，且为相同尺 寸制备的普通扳手质量的1/6，应用强度可达到 使用要求，完全满足质轻、高强、价格低廉的实际 应用需要.
1实验部分
1.1主要原料
碳纤维T300，吉林石化公司碳纤维厂；
自制碳纤维上浆剂，其中含有醇羟基和环氧 基团，吉林化工学院制备；丁二烯-苯乙烯-丙烯腈 三元共聚粉料（CHT)、苯乙烯-丙烯腈二元共聚物
收稿日期：202()-07-17
作者简介：马晓坤（ 1980-)，女，吉林省吉林市人，吉林化工学院讲师，博士，主要从事表面改性及复合材料制备方面的研究.E-mail:****************
2吉林化工学院学报2021 年
(SAN)、乙撑双硬脂酰胺（EBA)、硬脂酸镁
(MAGST)、抗氧剂二硬脂基二亚磷酸酯
(SPEP)，化学纯，吉林石化公司合成树脂厂.
1.2主要设备及仪器
双螺杆挤出机，TE-35，南京科亚公司；
HAAKE PolyLab QC模块化转矩流变仪；注塑机：
EC130S，日本东芝；融流指数测试仪：CEAST
2708, Instron公司；悬臂梁冲击强度测试仪: CEAST9050，Instron公司；拉伸弯曲测试机:574 洛氏硬度计，Wilson公司；太尔时代3D打印机，UP2，广州极臻三维设备公司.
1.3 3D打印用CF/A B S复合材料的制备
按照实验设计的配方将高抗冲丁二烯-苯乙 烯-丙烯腈三元共聚粉料（CHT)、高流动苯乙烯-丙烯腈二元共聚物（SAN)、润滑剂乙撑双硬脂酰 胺（EBA)、硬脂酸镁（MAGST)、抗氧剂二硬脂基 二亚磷酸酯（SPEP)等原料加人到高速 混合机中，充分混合5 min后，将共混料加人到双 螺杆挤出机中熔融共混，并设置螺杆的升温区域 为 220、230、235、240丈，螺杆转速为12〇1'/111丨11；将 碳纤维丝束浸润到自制上浆剂中，提高碳纤维的 集束性，并改善碳纤维丝与ABS树脂的相容性，将处理好的碳纤维丝束从中间喂料，挤出造粒，水 冷却后切成少3 mmX03mm圆柱状产品，制备 CF/ABS复合材料•
将所得的CF/ABS复合材料作为母料，调节 ABS树脂和复合材料的比例，在哈克单螺杆挤出 机中并添加少许表面光亮剂、黑母和润滑剂，挤 出温度设置为230〜250 I，螺杆转速为20 ~ 25 m m/min，带J备直径为1.75 mm±0.05 mm宽白勺3D 打印用CF/ABS复合材料线材.
1.4CF/A B S复合扳手的设计打印
利用skecth-u p软件进行多种形貌扳手的打 印建模，在3D打印机上设置打印温度范围为230〜240 t，打印速度50 m m/s，打印精度0.15~0.4 mm，填充密度75%~ 100%，层高0.丨mm，壁厚0.8 mm等参数设置.就可以在电脑软件中设计出不同 口径大小、长度、厚度以及是否中空等多种应用需 求的扳手图形.例如图1为口径26 mm长13.2 cm 厚1.5cm的普通呆扳手的设计图，并利用这个3D 打印呆扳手开启氮气钢瓶的阀门.
在此基础上，利用3D打印设计方法可以制 备多种形貌的CF/ABS复合扳手，适应于不同的 工作需求，如图2所示.
曹
图2 3D打印多种形貌C F/A B复合扳手
2结果与讨论
2.1 3D打印用CF/A B S复合材料的分析
将所得CF/A BS复合材料在80丈下进行干 燥2 h，注塑成型进行性能测试.注塑机各段温度 分别为210、220、225、230 注塑压力为100 MPa，冷却时间为30 s.将测试样条在恒温避光条 件下放置2 h后在室温25 t下，进行性能测试.所 有样品的测试标准按照如下所述：悬臂梁冲击强 度按ASTM D256-
1992测试；拉伸性能按ASTM D638-199丨测试；弯曲强度按ASTM D790-1992测 试；熔体流动速率按ASTM D1238-2010测试；洛 氏硬度按ASTM D785-2003测试.
如表1所示，随着碳纤维含量的增加，CF/ ABS复合材料的冲击强度和熔融指数逐渐降低，而拉伸强度、弯曲强度和洛氏硬度会有增高的趋 势.这主要是由于碳纤维无机相的加入到A BS弹 性体中，会产生局部的相分离，虽然相容剂的存在 可以改善这一现象，但是当受到冲击时，会从产生 的局部应力部位而快速断裂，所以冲击强度会随 着碳纤维含量的增加而快速的下降，但是在添加 少量0.5%的碳纤维时，其冲击强度仍达到
17.26
第I期晓坤，等:3D打印多种形貌CF/A B S复合材料扳手3
kj/ni2，可以满足一般的抗冲需要.同时，因为碳纤 维在ABS树脂中会明显地降低熔融状态的流动 性，故复合材料的熔融指数明显降低，但大于18 g/l〇min的熔融指数是完全可以满足3D打印需 要的.相反，在碳纤维加人后，因碳纤维的丝状结 构会提高ABS树脂的拉伸强度和弯曲强度，特别 是硬度的提高，有益于制备的3D打印扳手具有 良好的使用强度.
外用药酒表1不同C F/A B S复合材料的性能指标碳纤维含量/%00.512
冲击强度/(k j.m_2) 21.9817.2614.5711.89拉伸强度/MPa48.4850.2553.6855.92
弯曲强度/MPa84.0985.1986.6187.20洛氏硬度107.6109.2111.1112.9
熔融指数（&/10 min) 24.56321.65820.85118.034
2.2 3D打印用CF/A B S复合扳手生产技术
优势
FDM(Fused Deposition Modeling)3D 打印技 术因其机械结构最简单，设计也最容易，制造成 本、维护成本和材料成本也最低，是目前应用最广 的3D打印技术.FDM技术可以打印的材料包括 ABS、聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯矾等多种热塑性树 脂，FDM是唯一使用工业级热塑材料作为成型材 料的积层制造方法.CF/ABS复合材料属于改性的 热塑树脂，在其熔融指数控制和熔融温度调整下, 完全适用于FDM3D打印技术，实现挤出并迅速 凝固，完成逐层堆积，最后在空间上排列黏结结形 成立体实物.
以3 D打印碳纤维复合材料的扳手为例，制 备方法简单、便捷，以一个长13 cm的复合材料扳 手为例，其厚度为1.5 cm，调整打印速度可以控制 打印时间2~3 h.此种3D打印碳纤维复合材料扳 手在实用性强，强度和硬度都可以与通用的市售 扳手相比，却具有质轻的优势，扳手的质量约为同 尺寸的普通扳手的1/6.因此3D打印用碳纤维/ ABS复合材料的研发可以在更多的民用小制件 上进行推广.
2.3 3D打印用CF/A B S复合扳手生产成本
优势
以制备3D打印碳纤维/ABS复合材料的扳 手为例，一个长132 m m 口径为26 mm，厚15 m m 的呆扳手的制备时间为3 h，其质量约为20 g，按 照上述的经费花费预算，3D打印碳纤维/ABS复 合材料的价格可定为2万/吨~2.8万/吨（因碳纤 维含量的不同而浮动），可制备上述的3D打印呆 扳手近5万个，折合一个3D打印的呆扳手价格 在0.4~0.56元一个，而实际上普通呆扳手的价格 约为2元.简单由此可见，
3D打印碳纤维/ABS复 合材料制备的制件有其价格优势.
3结 论
利用3D打印技术，制备一种更加适合打印 的CF/ABS复合材料，通过建模打印多种形貌的 CF/ABS复合扳手.这种复合扳手具有质轻、高强、制备快速、实用性强和价格低廉等众多优势.结合 3D打印技术制备碳纤维复合材料制件，有利于拓 展碳纤维复合材料在日常生活领域的应用.
参考文献：
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第I期梁正：基于ABAQUS的波纹管建模与仿真分析41
Modeling and Simulation Analysis of Bellows Based on ABAQUS
LIANG Zheng
(School of Mechanical Engineering,Beihua University,Jilin 132021,China)
Abstract ：The ABAQUS software was used to model the bellows of super-elastic silicone material,
and the finite element simulation analysis was carried out on the internal inflation pressure model. The stress, axial elongation and radial direction of different bellows wall thickness after pressure were analyzed. The effect of expansion. The simulation results show that the thicker the wall at the corrugated part of the bellows, the stronger the restraining ability of its radial and axial defonnation.In the case of a thin wall,the bellows may be insufficiently restrained and cause instability.
Key words：bellows；silicone；sinite element simulation
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3D-Printed Various Shapes CF/ABS Composite Wrench
MA Xiaokun1，WANG Rui,ZHAO Jinde2，LU Shulai2,ZHANG Fuyao3
扭剪型螺栓(1.College of Petrochemical Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin City 132022, China 3 ； 2.Synthetic Resin Factory of Jilin Petrochemical Company, Jilin City 132022, China 1； 3.PetroChina Huanan Chemical Sales Company, Guangzhou City 510655,China)
Abstract ：The light and high strength CF/ABS composites were designed and composite wrenches with various shapes were fabricated by using 3D printing technology.The self-made sizing agent for
carbon fibers effectively improved the aggregation and surface wettability of carbon fibers, and has good bonding with the high flow ABS resin.The prepared 3D printing wrench could choose the size, caliber and thickness according to the actual needs,which technical has a practical application prospect.The quality and market price of 3D printing CF/ ABS composite wrench were analyzed and the price of the wrench prepared by this method is about 0.6 yuan. The low price and high performance are conducive to the daily promotion of 3D printing CF/ABS composite wrench.
Key words：3D printing；carbon fiber；ABS resin；wrench
