熔融沉积成型参数对制品机械性能影响的研究

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熔融沉积(FDM)制造技术是应用最广泛的一种增材制造技术。由于FDM产品的机械性能,尤其是产品的抗拉强度和翘曲变形量对功能部件非常重要,而成型参数对产品性能起着决定作用。因此研究成型参数对FDM产品机械性能的影响显得尤为重要,可为成型过程中参数的选取提供理论依据,以打印满足使用要求的产品。本研究从理论角度探究了成型参数与产品抗拉强度和翘曲变形间的理论关系,围绕该研究点,本文主要进行了以下研究:(1)成型参数与产品抗拉强度关系研究;(2)正交实验法探究成型参数间相互作用;(3)碳纤维含量与连续碳纤维增强PLA产品抗拉强度关系的研究;(4)成型参数与产品热应力和翘曲变形关系的研究。本文完成的工作及主要成果如下:本文从理论和实验两方面研究了层厚、沉积速度和填充率对热量传递的影响,确定了FDM产品相邻丝材间粘结强度与温度的定量关系。分析了成型参数对产品内部相邻丝材间界面的形成和失效的影响,在此基础上建立了FDM产品在弹性界面和弹性-软化界面状态下所能承载的抗拉强度与成型参数间的关系模型,分析了所建立模型的理论值随层厚、沉积速度和填充率的变化规律,并组织实验验证了该模型的有效性。通过正交实验探究成型参数间的相互作用,可通过设置最佳的参数组合使产品的机械性能最大化。通过分析不同参数组合对产品内部热量传递、相邻丝材间粘结时间以及试件抗拉强度和粘结强度的影响,从丝材内部温度、制品抗拉强度和丝材间粘结强度三个角度总结了成型参数间相互作用的影响规律。本文研究了经FDM生产的连续碳纤维增强PLA产品中碳纤维含量对产品抗拉强度的影响。分析了碳纤维和PLA基体间的界面失效过程,用弹性-软化内聚力模型表示了碳纤维与PLA间的界面状况,建立了碳纤维增强PLA产品抗拉强度预测模型,分析了弹性界面状态下,试件抗拉强度与产品内部碳纤维含量间的关系。根据成型过程中碳纤维和PLA在喷嘴中的浸润情况,在本文所建立的预测模型中引入了有效碳纤维体积系数,该系数受成型参数的影响。翘曲变形是影响FDM产品使用的另一主要因素。本文首先采用正交实验法探究了层厚和填充速度对产品翘曲变形的影响。其次,从界面力学角度分析了由成型参数引起的产品内部热应力产生机理,根据内聚力模型,建立了弹性界面状态、弹性-软化界面状态下产品内部热应力与关键成型参数间的关系模型并设计实验验证了模型的有效性,该模型揭示了成型参数对FDM产品内部热应力的影响机理,为打印满足翘曲变形量要求的产品提供了参数选取依据。
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