聚合物熔体微分3D打印成形机理与实验研究
多品种、小批量生产模式已成为现代制造业的重要发展趋势。面对日趋复杂、多样的塑料制品的需求，传统的注塑工艺需制备大量复杂模具，浪费大量能源及原材料;而采用3D打印技术制备塑料制品，具有可加工复杂结构制品、近净成形、无需模具、数字化设计与制造的优势。 本文总结了高分子材料3D打印技术的发展历程及主要技术分类，分析了3D打印技术在高分子材料加工领域的应用及发展趋势;阐明现有熔融沉积成形工艺存在适用耗材少、成形速度低的局限;基于此，提出一种新型熔融沉积成形方法——聚合物熔体微分3D打印成形。 在成形机理研究方面，首先阐述了熔体微分3D打印基本概念，并从熔体微分挤出、熔体区域微分填充两方面研究相应的理论模型及工艺控制方法，并分析了熔体微滴堆叠自由成形的可行性。 其次，根据熔体微分挤出过程及动力学分析，提出熔体挤出流量受阀腔背压驱动的压差流动和阀针运动产生的剪切流动综合作用的影响，并通过数值模拟分析相关工艺参数对熔体挤出流量的影响。 针对大尺寸塑料制品成形过程中易发生翘曲变形的问题，分析通过区域微分填充的方式降低翘曲变形的可行性;运用“生死单元法”进行数值模拟，用于研究区域微分单元格尺度及打印喷头数量对温度场及应力场的影响，以便改善热应力变形的问题。 在实验研究方面，首先设计并制造了熔体微分3D打印成形实验装置，其装置阀针根据驱动方式的不同分为电磁式和气动式两种，并按照耗材塑化装置、按需挤出装置、堆积成形装置和设备控制单元的顺序分段阐述该装置;该实验装置为后续实验奠定设备基础。 其次，依据熔体微滴堆叠自由成形的可行性分析，开展熔体微滴成形尺度及均匀性的研究，分析相关工艺参数对成滴的影响;分别以PP和PLA为实验耗材开展微滴堆叠成形的研究，分析耗材属性对成形精度的影响。 为验证新装置在制备软性及脆性材料制品方面的优势，分别以TPU弹性体及CNT/PLA导电复合材料为例开展实验，并分析相关工艺参数对制品性能的影响。 开展大型工业级熔体微分3D打印实验研究，优化了原设计方案，增加二阶串联式挤出装置;并对堆积过程进行理论分析，开展熔体流量、熔丝宽度的定量实验以及相关工艺参数对制品强度、精度的影响;并制备了铸造用大型塑料阳模，对成形制品进行分析。 综上，本文提出了熔体微分3D打印成形方法，并对其成形机理、工艺、装置及应用进行相关研究，扩展了高分子材料3D打印的应用领域，为高速制备大型化塑料制品奠定基础。
塑料制品;熔体微分;3D打印;成形机理
北京化工大学
博士
机械设计及理论
杨卫民
2016
中文
TQ320.63
159
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）