FDM 3D打印聚苯硫醚的力学性能机械研究与仿真分析

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论文字数:**** 论文编号:lw202334481 日期:2023-07-22 来源:论文网
本文是一篇机械论文研究,本文对熔融沉积 3D 打印技术的工作原理进行分析,研究了目前常见的打印机主要形式与特点,搭建了适用于多种材料打印的 3D 打印实验平台。针对打印试件从原材料、成型过程到后处理进行研究,使用聚苯硫醚材料制备了满足打印要求的丝材,研究了打印参数对试件力学性能的影响并得出了优化的组合与具体参数值,分析了不同温度条件下打印模型不同时间的温度分布及对热处理方式的影响。

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
增材制造技术,又称为 3D 打印技术,是近些年来发展较为迅速的一种新的成型技术。它的工作过程是通过建立三维 CAD 模型并转换为 stl 文件,利用切片软件设置工艺参数且进行填充和支撑算法运行后,生成打印平台可识别和执行的程序,然后采用所需材料实现制件的最终成型[1-2]。其中,该打印技术主要包括的成型原理有立体光固化原理、熔融沉积成型原理、三维打印粘结成型原理、选择性激光烧结原理、分层实体制造原理、材料喷射原理和定量能量沉积原理等,具体工作过程在后续部分将展开介绍。

3D 打印技术相较于传统的机械加工技术有着突出的优势,主要有如下几个方面[3-6]:
(1)对于形状复杂的零部件,通过三维软件建模并进行切片处理就可以开始打印模型。对于结构复杂的产品,通过零部件建模完成后将其按照设计要求进行装配,生成整体结构并进行切片处理来完成产品的打印,能够一次成形,避免安装过程中的不可控因素带来额外影响。

(2)根据不同成型原理,可以采用工程塑料、陶瓷粉末、光敏树脂、金属等打印材料打印所需的零部件,并且在一定程度上能够满足其工艺性能并与传统加工的产品相媲美。经过打印参数的优化与结构改善,可以较少的消耗生产原材料并使得打印出来的产品质量更轻。
(3)在由原材料到最终成型产品的生产过程中,传统机械加工方法需要对毛坯进行预处理,然后进行一系列计算分析并利用机加工方法或者其他方法来完成产品的制造。而 3D 打印技术能够更快的节省时间成本,降低其生产周期。同时,针对新产品的设计与研发,可以通过实体打印来验证其可行性与可靠性等。
(4)零部件的模型建立后,只需要进行简单的操作步骤即可开始打印制件,执行速度快,相较于传统生产设备来说,该打印平台占用空间很小该打印平台占用空间更小,避免因中间操作导致的失误,残次品率能够实现有效控制。

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1.2 3D 打印技术的研究现状
近些年来,随着 3D 打印技术的不断发展,不同成型原理和功能的 3D 打印机应用而生,所使用的打印材料种类涉及较广。自 1987 年美国 3D Systems 公司发布第一台利用立体平板印刷的原理使得三维模型到实体的转变的打印机起,就引起了科学界很大的重视。发展至今,对于 3D 打印技术的研究越来越广泛,国内外研究人员采用工程塑料、陶瓷材料和金属材料等打印原料,利用不同的成型原理研究分析所制成的样件可行性与性能等方面,在机械、医疗、电气电子、生物等领域都发挥着重要的作用[16]。
1.2.1 国外研究现状
Tan 等人探索了快速成型技术在组织工程中应用的潜力,通过将聚醚醚酮和羟基磷灰石进行物理混合,利用选择性激光烧结方法制备了从 10 wt%HA 到 40 wt%HA 支架,分析了支架的孔隙率和生物活性等性能,表明该方法可以生产可控的微结构和更高的一致性[17]。
Nikzad 等人研究了金属材料的热物理参数和力学性能,生产具有刚度和柔韧性的打印样品。介绍了金属微粒/ABS 复合材料熔融沉积快速成型建模的过程。通过测试样品的性能与 DMA 技术分析表明,金属材料的添加显著改善了 ABS的热和力学性能[18]。
Suwanprateeb 等人采用液相烧结的办法制备了磷灰石-硅灰石玻璃陶瓷/羟基磷灰石复合材料,研究了提高 3D 打印羟基磷灰石复合材料力学性能的可行性。通过烧结温度对复合材料的孔隙率、密度和弯曲性能的影响,证实了烧结温度的升高会导致显微组织致密化的增加[19]。
Wei 等人以 LFP 为正极材料,Li4Ti5O12 为负极材料,加入硅碳材料制备正极、负 极 可 直 写 墨 水 , 以 ETPTA,Al2O3 颗 粒 , electrolyte (1 M LiTFSI/PC) 和photoinitiator 制备隔膜直写墨水,以玻璃碳材料作为集流体,通过 3D 打印技术制造出电池。同时,研究了四种直写墨水的流变性能,打印出不同层厚电极的电池,进行能力密度测试,区域容量测试和库伦效率测试[20]。


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第2 章 3D 打印实验平台的搭建

2.1 引言
随着近年来 3D 打印技术的逐步发展,3D 打印广泛应用于越来越多的领域中,比如,机械行业、医疗行业、电子行业、航空航天行业等。基于熔融沉积原理的 3D 打印技术越来越成熟,所生产出的产品基本能够满足不同行业的要求与目的。目前,根据市场的应用场合来说,3D 打印机一般可分为工业级 3D 打印机和桌面级 3D 打印机。基于实验室的客观条件及其后续实验的可执行性,选择通过学习和分析桌面级 3D 打印机的机械系统和软件,利用相关的硬件和软件相配合以实现 3D 打印实验平台的搭建。这一工作为接下来的实验研究带来了更大的便利和效率性。
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2.2 FDM 3D 打印工作原理
熔融沉积成型原理(Fused Deposition Modeling),简称为 FDM 原理,是目前3D 打印技术中应用较为广泛的一种基本原理。常用的材料主要有 PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸酯)、PA(尼龙)、PEEK(聚醚醚酮)、PPS(聚苯硫醚)、PI(聚酰亚胺)等工程塑料。熔融沉积 3D 打印的工作原理如图 2.1 所示。

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第 3 章 打印丝材的制备与力学性能研究......................................... 25
3.1 打印试件成型过程中的影响因素分析 .................................. 25
3.2 实验测试简介 ............................ 27
3.3 打印参数对 PPS 试件的力学性能影响 ................................. 31
第 4 章 打印参数的优化与模型仿真分析......................................... 37
4.1 打印参数对力学性能影响的优选 ........................ 37
4.1.1 正交实验方法 ..................................... 37
4.1.2 实验设计与结果分析 ..........................37
第 5 章 结论与展望 .................................... 51
5.1 结论 ............................... 51
5.2 展望 ..................................... 52

第 4 章 打印参数的优化与模型仿真分析

4.1 打印参数对力学性能影响的优选
4.1.1 正交实验方法
目前,试验优化的常用方法主要为试验设计方法与回归设计方法。本章针对打印参数对力学性能的优化问题将采用试验设计方法。试验设计即是离散优化的基本过程,进行方案设计与数据处理,使用起来简单且应用非常广泛。根据实际研究的需要,常用的优良性设计包括正交性、稳健性、均匀性和饱和性。
正交试验设计是研究多因素多水平的方法,主要用于因素和水平数较多而试验不能有效进行的场合。田口玄一教授提出的正交表试验设计法解决了这一难题,其利用正交表简化实验次数,并且能够高效准确的获得最优方案。正交表主要有标准表、非标准表和混合正交表,其正交性、均衡分散性和综合可比性成为突出的性质,使得它能够应用于诸多领域中。正交试验设计的过程是设计试验方案和处理实验结果。其中,设计试验方案的主要步骤为明确实验目的,确定试验指标;确定需要研究的因素,选取合适的水平值;选用合适的正交表;进行表头设计和编制实验方案[56]。而处理试验结果主要采用极差分析法和方差分析法。前者对试验结果进行计算来判断因素主次、因素的优水平和最优组合,后者利用统计学方法进行分析来判断因素对试验指标的影响程度来确定最优组合。本文采用计算较为简便但结果更加直观的极差分析法,处理正交实验设计中的实验数据。
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第 5 章 结论与展望

5.1 结论
本文对熔融沉积 3D 打印技术的工作原理进行分析,研究了目前常见的打印机主要形式与特点,搭建了适用于多种材料打印的 3D 打印实验平台。针对打印试件从原材料、成型过程到后处理进行研究,使用聚苯硫醚材料制备了满足打印要求的丝材,研究了打印参数对试件力学性能的影响并得出了优化的组合与具体参数值,分析了不同温度条件下打印模型不同时间的温度分布及对热处理方式的影响。主要结论如下:
1. 通过研究目前市场中常见的打印机形式与特点,比较 Ardunio Mega 2560控制器+硬件模式与多轴运动控制器+硬件模式的优势,针对不同特种工程塑料所需的技术要求,采用后者的模式成功搭建了 3D 打印实验平台,同时与三维建模软件、切片软件和运动控制软件配合实现了可用于多种材料的 FDM 3D 打印,并为后续实验研究提供了必要的技术支撑。

2. 实验研究了打印试件在熔融沉积过程中的主要影响因素,对机械结构的振动、打印基台的水平位置、环境温度进行了调整与改善,最大程度减小对试件成型过程的影响。针对试件成型过程中不同阶段的因素作用,使用聚苯硫醚材料进行了打印丝材的制备与实验所需试件的打印,主要研究了进丝速度、打印温度和分层厚度对试件力学性能的影响程度,为不同领域的使用需求提供了具体的参考价值。
3. 实验分析了单因素实验方法的打印参数对试件力学性能的影响,根据得出的结果与参数区间进一步采用正交试验设计方法,研究了三种打印参数的性能影响。从实验结果可以看出,对于试件的拉伸性能,选取进丝速度为 20mm/s,打印温度为 300℃,分层厚度为 0.2mm 时,能够取得最大的拉伸强度值;对于试件的弯曲性能,选取进丝速度为 25mm/s,打印温度为 290℃,分层厚度为 0.1mm时,能够取得最大的弯曲强度值。同时,打印聚苯硫醚材料时选取的打印温度在270℃~300℃左右范围对试件性能没有显著影响。
参考文献(略)


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