4D打印热塑性聚氨酯/钕铁硼磁性复合材料成形工艺与性能研究

传统的3D打印技术逐渐无法满足高端制造领域对构件的要求,材料-结构-功能一体化增材制造即4D打印技术将是新的发展方向。为此,选取热塑性聚氨酯(TPU)/钕铁硼(NdFeB)磁性复合材料体系,采用激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)工艺成形具有不同Nd FeB含量的复合材料成形件,研究了复合粉末的粒度及其分布、微观形貌、成形前后化学基团演变,成形件晶体结构、力学性能及变形行为,结果表明Nd Fe B含量会影响复合材料成形件的力学性能和变形行为,增加Nd Fe B含量能够增大成形件在磁场中受到的作用力;当Nd Fe B含量在复合材料中质量分数为30%时,复合材料成形件拥有最佳的拉伸强度。本研究将TPU/NdFeB复合材料体系作为一种创新的4D打印材料,成形的磁性智能构件在磁场中发生变形,实现了磁场驱动的4D打印,对4D打印磁性智能构件的发展具有指导意义。     

基于FDM的柔性材料3D打印工艺研究

采用传统FDM设备打印柔性丝材时,由于送丝力过大,易出现丝材弯折和回抽困难等问题,导致打印失败。在丝材FDM打印头上同时实现软硬材料的打印,有利于拓宽FDM 3D打印的应用领域。提出了一种仅通过改变弹簧尺寸来调节送丝力的简便有效方法,从而保证不同硬度材料的稳定打印。通过观察打印过程中送丝稳定性情况和成型制件的表面质量,得到适合材料打印的最佳弹簧弹性系数。研究结果表明:保证丝材稳定打印的送丝力随丝材硬度的增大而增大,适合TPE-83A、TPU-87A及TPU-95A三种柔性材料打印的合适的弹簧弹性系数分别为0.37 N/mm～0.48 N/mm、0.37 N/mm～0.70 N/mm、0.48 N/mm～1.32 N/mm;选择合适弹性系数的弹簧进行大尺寸样件打印时,打印稳定性良好,且制件表面质量佳,充分说明该方法的合理性。该研究结果对进行FDM送丝机构的结构设计具有借鉴意义。     

FDM熔融沉积打印外轮廓收缩率试验研究

基于进一步提高FDM熔融沉积成型精度的问题,采用试验研究的方法,使用直径1.75mm的PLA丝材,利用50mm×50mm×2mm的薄板模型分析并建立了熔融沉积3D打印外轮廓的移动路径与丝材收缩模型,计算出了在分层厚度0.2mm、打印温度210℃、填充料25%的工艺参数下,该材料熔融沉积成型的平均收缩率为0.5047%。最后,通过验证试验,验证了平均收缩率的可行性,为进一步提高复杂零件熔融沉积成型精度提供了数据参考。     

3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。     

FDM变重力成形试验研究

为了研究空间微重力环境下对FDM成形过程的影响,验证空间环境下FDM技术的适应能力,通过模拟试验方案的设计,研究重力对FDM成形的影响,间接验证了空间微重力环境下FDM技术的成形能力。成功打印了不同重力环境下的PLA标准试样,对比分析了试样的成形质量,测试并分析了其力学性能,结果表明,重力对FDM成形过程的影响作用较小,材料间的结合力是影响PLA熔融沉积制造成形性能的主要因素。建立并研究了微观环境下FDM成形过程的数学模型,得到了空间微重力环境下影响FDM成形的主要参数及其范围,为FDM技术的空间应用提供了技术支持。     

熔融沉积成形件的表面雾化抛光实验研究

针对熔融沉积成形(Fused deposition modeling,FDM)最常用的成形材料聚乳酸(Polylactic acid,PLA),选用氯仿溶液进行表面雾化抛光,以提高FDM成形件的表面质量。研究抛光温度、抛光时间和抛光液浓度对FDM成形件表面抛光效果的影响。实验结果表明抛光表面的粗糙度随着抛光温度升高和抛光时间增加而减小,但当抛光温度和抛光时间达到一定程度后,抛光表面粗糙度并没有明显的减小。随着抛光液浓度的增大,抛光表面的粗糙度减小。采用抛光温度为60℃、抛光时间为7 min和抛光液浓度为100%时的抛光效果较好,抛光后成形件的表面粗糙度大幅减小,表面形貌得到显著改善,且对成形件的尺寸和质量影响很小。     

3D打印多色打印方法分析

3D打印技术根据所用材料的状态及成形方法不同可以分为多个种类,其中,熔融沉积成形技术(FDM)应用最广泛。通过多年的3D打印经验以及3D打印技术在多色打印方面的发展,对采用熔融沉积成形技术(FDM)的3D打印机多色打印方法进行研究,得出这种打印机实现多色打印的四种方法,通过分析,总结出每种打印方法的优点和缺点,希望能为从事3D打印的工作人员起到一定指导作用。     

FDM 3D打印单层面体成形过程与工艺参数分析

成形效率是FDM 3D打印普遍关注的问题,而单层面体为FDM 3D打印中成形效率最高的打印类型。以圆柱体模型为例,研究FDM 3D打印单层面体的无基底成形过程,并对其工艺参数进行深入分析,为工艺参数设计提供有益参考。实验结果表明:FDM 3D无基底打印单层面体打印可分为余料清除、慢速打印首层和常速打印主体三个阶段;首层打印速度约为主体打印速度的30%。对比采用不同层厚的FDM 3D打印过程发现打印速度基本保持不变,主要通过改变送料速度来获得稳定不变的打印宽度。     

工艺参数对FDM成型塑料制品力学性能的影响

主要研究了打印速度和层高这两个关键工艺参数及其交互作用对采用熔融沉积(FDM)方式加工的标准塑料制品试件力学性能的影响规律。以聚乳酸(PLA)作为原料,采用创想三维的Ender-3s型3D打印机,分别制备了填充率在20%、30%和50%三种情况下,不同打印速度和打印层高时,试件的抗拉强度,并对拉伸试验所获得的数据进行等重复双因素方差分析。研究结果显示：打印速度和层高均对试件抗拉强度有显著影响,其中以打印层高影响效果最为显著;20%、30%和50%三种情况中交互作用对试件力学性能的影响也较为显著。在相关采用FDM工艺制备的塑料制品的设计和使用中应当充分考虑这几个因素的影响。     

聚醚醚酮熔融沉积成形强度工艺参数的优化

为了提高聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)熔融沉积成形(Fused deposition modeling,FDM)强度,利用正交试验方法研究了FDM打印工艺参数与力学性能之间关系。对喷嘴温度、打印速度和填充角度等影响因素下PEEK样件的力学性能进行对比分析,研究现有条件下最优打印参数,提高成形质量。结果表明各个工艺参数对试验结果的影响程度不相同,影响最为明显的是喷嘴温度,其次是填充方式,打印速度对试验结果的影响较小。最佳工艺参数组合为:喷嘴温度420℃,打印速度10mm·s~(-1),填充方式0°。改善工艺参数后可提高PEEK成形件的强度,制造出的个性化假体的力学性能能够满足临床使用的要求。一例PEEK假体已经成功应用于临床,为其在临床上的广泛应用奠定基础。     

基于柔性材料的双喷头3D打印技术研究

针对生物凝胶、硅橡胶等柔性材料复杂形状成型困难的问题,提出一种双喷头3D打印方法,实现模具和柔性材料的一体化成型。在深入研究FDM 3D打印原理的基础上,将FDM 3D打印机装置进行改装,设计了一套可以打印两种不同材料的双喷头3D打印装置。其中一个喷头打印PLA等工程塑料,用作支撑和模具;另一个喷头用来打印硅橡胶、生物凝胶等具有流动性和黏性的柔性材料。试验结果表明:该双喷头3D打印装置打印硅橡胶、生物凝胶等柔性材料,能够较好地完成模具和材料一体化成型的打印任务,为生物凝胶、硅橡胶等柔性材料的成型工艺提供了有效的方法。     

不同含量纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料的性能

利用双螺杆挤出机制备了纳米羟基磷灰石(n-HA)质量分数分别为10%,20%,30%,40%的n-HA/PLA(聚乳酸)复合材料,研究了复合材料中n-HA的分散性以及n-HA含量对复合材料热学性能、黏度和弯曲强度的影响。结果表明:当n-HA质量分数在10%~40%时,n-HA在PLA基体中均具有较好的分散性;随着n-HA含量的增加,n-HA/PLA复合材料的冷结晶温度及特性黏度降低,而冷结晶焓和弯曲强度则均先升高后下降;当n-HA质量分数为10%时,n-HA/PLA复合材料的综合性能较好,其弯曲强度最大,为97.2 MPa,n-HA对PLA分子链的破坏程度最小。     

色母粒影响聚乳酸成型质量的实验研究

针对不同添加剂(色母粒等)的聚乳酸(PLA)材料,在熔融沉积式(FDM)打印机成型质量不同的问题上,对FDM打印机成型过程涉及的工艺参数进行归纳研究,提出了一种根据PLA添加剂(色母粒等)不同而进行调整FDM成型工艺参数的方法。基于材料力学的理论知识,建立了PLA材料成型过程的数学模型,选取了某厂家同批次的6种PLA材料,用正交试验方法验证了不同添加剂(色母粒等)的PLA材料对成型质量的影响。实验结果表明,添加剂色母粒对聚乳酸成型质量有较大影响,使用不同色母粒添加剂的聚乳酸时,必须适当调整成型工艺参数,以保证成型质量,并能够有效指导PLA材料在桌面版3D打印机的应用。     

PLA材料在熔融沉积过程中的温度场分析

采用有限元的方法进行3D打印过程的模拟,建立了熔融沉积成型(FDM)有限元仿真模型,对PLA材料在FDM成型过程中进行了温度场分析,得到了在不同方向、不同时间的温度变化曲线。温度的变化对成型件的精度有重要影响。     

不同增韧剂对稻壳粉/PLA复合材料的性能影响

以稻壳粉与聚乳酸(PLA)为原料,分别添加不同含量的白炭黑和纳米碳酸钙作为增韧剂,通过模压成型的方法制备木塑复合材料;通过电子万能试验机等设备测试了其力学性能、吸水性能,研究了增韧剂种类及其含量对PLA复合材料的影响。结果表明,相较于白炭黑,CaCO3是比较好的增韧剂,能有效地提高材料的拉伸、弯曲和冲击强度并降低吸水率。且当CaCO3含量为9%时,材料的各项性能最佳。     

3D打印PLA材料内部应力检测研究

基于FDM技术的3D打印方式在先进制造领域应用越来越广泛,打印过程中由于熔融材料快速冷凝而发生收缩。现阶段没有合适手段检测打印件内部应变。光纤光栅具有柔性特征,可以粘合在打印件内部通过实验监测内部应变。本实验的研究对象是以PLA作为3D打印材料,通过在3D打印过程中将光纤光栅埋入实验样本,通过拉伸实验和温度实验测试了该材料的内部应变变化以及确认残余应力。     

FDM 3D打印P LA/木粉复合材料翘曲变形影响因素分析

翘曲变形是影响FDM 3D打印制件质量的一个重要因素。实验以PLA/木粉复合材料丝材为成型原料打印试样,通过正交实验研究了喷嘴温度、平台温度和层厚对试样翘曲量的影响。研究结果表明,三因素中对翘曲量的影响依次是层厚喷嘴温度平台温度,当喷嘴温度在190℃～200℃,平台温度在50℃～80℃,层厚设置为0. 2mm～0.3mm,打印的试样翘曲量比较小。这一点在正交实验中当喷嘴温度190℃,平台温度60℃,层厚0.2 mm时,试样的翘曲量达到最小为0.1mm,得到验证。     

FDM用短切玻璃纤维增强复合材料改性研究

实验对短切玻璃纤维增强ABS复合材料进行了一系列的改性研究。使其不仅强度、硬度方面都高于纯ABS,而且显著降低ABS的收缩率,减小制品的形变。并通过适量加入增韧剂和增容剂,使挤出的复合材料丝的韧性及力学性能均有较大的提高。用改性的短切纤维增强ABS作为原料,在多功能快速成形机上制备出了试样,测定其力学性能,与不含玻璃纤维的ABS制成的试样作比较,从宏观和微观方面对其改性效果进行了评判。从而制备出适于FDM成形用的短切玻璃纤维增强复合材料。     

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite, CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA, CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。     

3D打印技术及设备发展现状

首先介绍了3D打印技术的原理及发展历程进行了简要概述,然后对现有的多种3D打印技术的成型方式》材料特性》适用范围进行了分析,包括熔融沉积成形(FDM)》立体光固化成形(SLA)》数字光处理成型(DLP)》分层实体制造(LOM)》电子束选区熔化(EBM)》光选区熔化(SLM)》直接金属激光烧结(DMLS)》电子束熔丝沉积成形(EBF)》石膏3D打印(PP)等多种方法,并针对3D打印设备研究现状从算法和硬件两个方面继续概述,最后,提出未来3D打印技术朝着应用领域多样化》打印设备及材料专用化》3D打印技术标准化的方向发展.