超声辅助熔融沉积增材制造实验研究

论文摘要

熔融沉积增材制造技术,也称作熔融沉积成形技术,是应用最广泛的增材制造技术之一,在汽车工业、教育教学、建筑和医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。由于受到逐丝累积成形工艺原理的限制,打印零件内部丝材之间结合界面处粘接力较弱,导致成形零件的机械性能较差,限制了熔融沉积增材制造技术的应用领域。因此,本文提出超声辅助熔融沉积增材制造技术,将超声振动技术与熔融沉积增材制造技术结合,改善成形零件内部相邻丝材结合界面处的粘接强度,进而提高打印零件的机械性能,拓宽熔融沉积增材制造技术的应用领域。主要研究内容如下:基于超声后处理强化技术,研究超声强化熔接时间和超声强化压力对已成形样件的弯曲性能和动态热机械性能的影响规律。研究表明,超声后处理强化之后,样件的弯曲性能和储能模量均得到显著提高,内部丝材之间的粘接面积和强度也得到明显改善。研制超声振动辅助熔融沉积增材制造装置,实现在成形过程中强化样件的力学性能。基于该装置,研究成形过程中超声振幅、打印层厚和打印速度等工艺参数对样件力学性能的影响规律,通过显微表征与热稳定性分析,探究工艺参数对样件力学性能的作用机理。研究表明,随着超声振幅的增大,样件的拉伸强度和弯曲模量均逐渐增大,弯曲强度先增大后减小,内部丝材之间的粘接质量越来越好。通过对不同打印速度,打印层厚下,加12μm超声振幅样件和不加超声振动样件力学性能进行比较表明,加12μm超声振幅打印样件力学性能都得到显著提高,且内部丝材之间的粘接效果更好。针对超声振动辅助熔融沉积成形过程中,样件表面产生热量的现象,研究了不同超声振幅、打印层厚、打印速度等工艺参数下样件成形过程中表面温度变化。研究表明,相同3D打印参数下,打印到相同层数时,加超声振动样件表面温度均比未加超声振动样件的高。针对超声振动辅助熔融沉积成形过程中产生热量的现象,研究其对样件力学性能影响机理。将新研制装置的超声振动平台系统换成加热基板系统,在相同的3D打印参数下,用加热基板模拟超声振动打印样件过程中温度变化打印力学样件,分析样件拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量变化规律;通过扫描电镜观察样件断面形貌以及差示扫描量热法分析样件结晶度和玻璃态转化温度变化,进一步分析力学性能变化原因;与加超声振动强化样件进行对比,进一步分析超声振动强化样件力学性能的机理。研究表明,加模拟温度处理有效提高样件拉伸强度,但弯曲强度和模量均降低;相同3D打印参数下,模拟12μm超声振幅打印样件温度变化,打印样件的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均比加12μm超声振幅打印样件的低。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 熔融沉积增材制造技术

1.2.1 熔融沉积增材制造技术简介

1.2.2 国内外熔融沉积增材制造设备研究现状

1.2.3 国内外工艺研究现状

1.3 超声振动技术

1.3.1 超声振动技术简介

1.3.2 超声振动辅助增材制造技术国内外研究现状

1.4 论文研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究内容

第2章超声强化原始3D打印样件实验研究

2.1 引言

2.2 超声强化设备及强化机理

2.2.1 超声强化设备

2.2.2 超声强化机理

2.3 实验准备

2.3.1 试验设备、材料及参数

2.3.2 试验样件设计

2.3.3 试验样件3D打印参数选择

2.4 超声强化工艺参数对打印样件机械性能影响

2.4.1 试验方案设计

2.4.2 试验过程

2.4.3 试验结果及分析

2.5 本章小结

第3章超声辅助熔融沉积增材制造系统研制及实验研究

3.1 引言

3.2 超声振动辅助熔融沉积增材制造系统研制

3.2.1 超声振动辅助熔融沉积增材制造系统总体设计

3.2.2 3D打印系统

3.2.3 超声振动平台系统研制

3.3 熔融沉积增材制造丝材粘结理论

3.3.1 PLA丝材特性

3.3.2 3D打印PLA丝材粘结机理

3.4 超声参数对PLA3D打印样件力学性能的影响

3.4.1 试验准备

3.4.2 试验方案设计

3.4.3 超声振幅对打印样件力学性能的影响

3.4.4 打印速度和超声振幅对样件力学性能的影响

3.4.5 打印层厚和超声振幅对样件力学性能的影响

3.5 本章小结

第4章超声辅助熔融沉积增材制造热影响机理研究

4.1 引言

4.2 超声辅助熔融沉积增材制造过程热影响

4.2.1 打印设备及检测设备

4.2.2 材料辐射率检测

4.2.3 超声振动强化过程温度变化研究

4.3 超声强化过程中温度对样件力学性能影响

4.3.1 试验准备

4.3.2 试验方案设计

4.3.3 超声振幅温度对打印样件力学性能的影响

4.3.4 打印速度和基板温度对打印样件力学性能的影响

4.3.5 打印层厚和基板温度对打印样件力学性能的影响

4.4 本章小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

研究生期间所取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒋吉利

导师: 吴文征,邢飞

关键词: 增材制造,熔融沉积成形,机械性能,超声振动,加热基板

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 吉林大学

基金: 吉林省重点科技研发项目“高性能特种工程塑料 3D 打印关键技术与装备研究”(20180201055GX),国家自然科学基金面上项目“金属玻璃晶格结构超声微滴喷射增材制造机理研究”(51675226)

分类号: TP391.73;O426.9

总页数: 95

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