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聚合物熔体微滴堆叠成形特性研究

王成硕  
【摘要】:聚合物熔体微滴堆叠成形技术是一种新型的快速成形技术,该技术基于高分子材料“微积分”思想,将喷射产生的聚合物熔体微滴按照规划的路径逐层堆叠成三维实体。该技术具有周期短、精度高、材料应用广泛等优点,正成为未来一种极具潜力的快速成形方法。然而,微滴喷射堆叠成形过程受到多因素的综合影响,涉及到微滴堆叠过程中的热动力学行为及微滴连续堆叠过程中的相互作用,对微滴堆叠成形的制品精度产生重要影响,目前针对上述问题尚未开展系统而深入的研究。本文总结了前人对微滴喷射和堆叠成形机理的研究成果,结合聚合物的本身特性,在此基础上开发了一台聚合物熔体微滴堆叠成形装置。本文采用模拟仿真、理论分析和实验研究等方法对微滴堆叠成形过程的温度场和不同工艺参数对微滴堆叠成形精度的影响进行了深入研究,本文主要研究内容和结论如下:(1)结合聚合物熔体微滴喷射堆叠成形的原理,设计开发了一台聚合物熔体微滴堆叠成形设备,该设备包括机械结构部分和控制系统部分,其中机械结构部分包括塑化装置、微滴喷射装置和三维运动平台;控制系统部分包括运动控制系统、温度控制系统、压力调节系统,该设备为后面的相关研究提供了实验平台。(2)通过瞬态非线性温度场有限元分析,运用“单元生死”技术和APDL命令流动态模拟了微滴堆叠成形过程的温度场。对成形制品各层的温度场变化规律、节点温度变化规律、特征点温度变化规律及成形路径对制品成形精度影响规律进行了研究,研究结论为后续的微滴堆叠实验提供了相关指导。(3)通过实验分析了喷射频率、螺杆转速、喷嘴与基板间距离和基板移动速度四个工艺参数对微滴直径和微滴间距的影响规律,确定各个参数对于微滴直径和微滴间距的影响。分析了微滴间距Wx、Wy、Wz和成形路径对微滴堆叠成形精度的影响。实验结论为聚合物熔体微滴堆叠成形工艺提供了重要的实验依据。(4)通过分析聚合物熔体微滴堆叠成形的制品翘曲变形产生的根源,建立了制品的翘曲变形数学模型,分析堆叠层层厚、堆叠层数、成形室温度、断面长度对制品翘曲变形的影响规律,并通过实验证明了理论模型的正确性,为制品成形的路径规划和各参数控制提供了理论依据。


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