基于顆粒體熔融堆積的高速擠出裝置及快速成形工藝理論研究.pdf

1、快速成形技術(shù)從誕生至今,一直以較快的速度獲得發(fā)展.目前的快速成形技術(shù)正在從起初的技術(shù)定向向應用定向轉(zhuǎn)變,這對于每一種快速成形技術(shù)而言,針對各自工藝的特點,選擇其正確的發(fā)展方向是至關(guān)重要的。 基于熱塑性高聚物的熔融堆積成形工藝以其材料性能的優(yōu)越性、使用范圍的廣泛性以及在新興領(lǐng)域的應用潛在性,備受業(yè)界和研究機構(gòu)的重視。由于采用熔融擠出堆積工藝制作的原型較其它快速成形工藝具有更好的性價比,這使其成為發(fā)展最迅速的一種成形工藝.但是目前的

2、熔融堆積成形技術(shù)在成形速度、材料選擇范圍、原型制作質(zhì)量的完整性以及新興領(lǐng)域的應用方面仍存在不足,需要繼續(xù)改進和提高.其發(fā)展瓶頸具體體現(xiàn)在兩個方面,即:如何推陳出新,開發(fā)出成形速度更快,使用范圍更廣,且能夠順利擠出粘度更大直徑更小的熔融絲材的噴頭裝置；如何通過成形工藝的改進和提高,來提高已有成形裝置的原型制作質(zhì)量,實現(xiàn)成形由普通原型向功能零件的轉(zhuǎn)變。這些瓶頸的突破將對熔融堆積成形工藝本身的繼續(xù)存在、獲得發(fā)展和不斷完善具有重要意義。

3、 鑒于目前熔融堆積成形技術(shù)面臨的問題,結(jié)合快速成形技術(shù)的發(fā)展方向,本文首先針對熔融堆積成形中使用的噴頭裝置的不足,提出并設(shè)計了一種新穎的基于顆粒體材料送進的高速螺旋擠壓噴頭裝置。同時,還需要兼顧原型制作質(zhì)量的完整性,實現(xiàn)由單純普通原型的堆積向制造功能零件的轉(zhuǎn)變。因此在微觀和宏觀上提高熔融絲材的堆積質(zhì)量是必須和必要的,這需要對熔融堆積成形的工藝理論進行系統(tǒng)地研究。根據(jù)這一主體研究思路,全文的主要研究工作如下:(1)顆粒體進料的微型螺旋擠壓

4、堆積噴頭的設(shè)計綜合考慮現(xiàn)有噴頭技術(shù)的特點和不足,針對FDM工藝發(fā)展的新要求,提出一種基于顆粒體材料的微型螺旋擠壓堆積噴頭.并且系統(tǒng)地研究和提出了針對小型化螺桿的一套可行的參數(shù)化設(shè)計方法和新穎的推桿凹槽的送料方式.通過對裝配好的噴頭裝置的擠出試驗,證明采用顆粒體進料的螺旋擠壓堆積噴頭的技術(shù)是可行的。在出絲速度、壓力的提升潛力和“流涎”的減小方面均達到了預期的目標,該噴頭裝置具有良好的應用前景。 (2)熔融堆積工藝參數(shù)對擠出絲材粘結(jié)

5、質(zhì)量影響的熱學分析堆積絲材間的粘接質(zhì)量直接影響著堆積原型的機械力學性能.根據(jù)ABS-P400絲材的熱學參數(shù)和商用FDM2000成形機的成形參數(shù)設(shè)置,通過對絲材堆積物理條件的合理假設(shè),結(jié)合絲材熱粘結(jié)的機理分析,建立了擠出絲材溫度變化規(guī)律的數(shù)學模型和絲材堆積溫度場的有限元模型,同時對直接影響絲材粘結(jié)質(zhì)量的工藝參數(shù)進行了定量的研究,并分析了對絲材粘結(jié)有間接影響的相關(guān)因素。理論分析和有限元仿真的結(jié)論為新噴頭的開發(fā)提供了理論依據(jù),為提高絲材間的粘

6、結(jié)質(zhì)量指明了方向。 (3)熔融擠出絲材的堆積過程分析降低絲材的堆積空隙和提高絲材堆積的均勻性是確保原型成形質(zhì)量的關(guān)鍵。 根據(jù)熔融堆積成形的特點,將一段路徑的絲材堆積劃分成五個階段,對絲材堆積的質(zhì)量問題分別從工藝參數(shù)的設(shè)置、原型截面的幾何特點和出絲速度與掃描運動速度的耦合三個方面進行了研究,并分析了堆積的拉絲缺陷問題,進而針對成形過程中易出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷提出了改善絲材堆積的具體方法.根據(jù)已堆積絲材的截面特征,將絲材堆積分成穩(wěn)

7、態(tài)堆積和暫態(tài)堆積兩種方式,并給出了顆粒體送料的螺旋擠壓堆積噴頭的控制模型。 (4)熔融堆積成形中原型翹曲變形的研究針對影響FDM原型尺寸精度的翹曲變形缺陷,分析了原型變形產(chǎn)生的根源及其作用機理,建立了原型的翹曲變形模型,同時定量地分析了各種工藝參數(shù),包括堆積層數(shù),截面長度,環(huán)境溫度和材料的線收縮率對原型變形的影響。分析結(jié)果合理地解釋了熔融堆積成形過程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象,并結(jié)合研究實例提出了減小原型翹曲變形的相應措施。 (5