基于顆粒體熔融堆積的高速擠出裝置及快速成形工藝?yán)碚撗芯?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(yīng)用定向轉(zhuǎn)變,這對(duì)于每一種快速成形技術(shù)而言,針對(duì)各自工藝的特點(diǎn),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(yīng)用潛在性,備受業(yè)界和研究機(jī)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(jià)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(yīng)用方面仍存在不足,需要繼續(xù)改進(jìn)和提高.其發(fā)展瓶頸具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面,即:如何推陳出新,開(kāi)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(guò)成形工藝的改進(jìn)和提高,來(lái)提高已有成形裝置的原型制作質(zhì)量,實(shí)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(duì)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(wèn)題,結(jié)合快速成形技術(shù)的發(fā)展方向,本文首先針對(duì)熔融堆積成形中使用的噴頭裝置的不足,提出并設(shè)計(jì)了一種新穎的基于顆粒體材料送進(jìn)的高速螺旋擠壓噴頭裝置。同時(shí),還需要兼顧原型制作質(zhì)量的完整性,實(shí)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(duì)熔融堆積成形的工藝?yán)碚撨M(jìn)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(jìn)料的微型螺旋擠壓

4、堆積噴頭的設(shè)計(jì)綜合考慮現(xiàn)有噴頭技術(shù)的特點(diǎn)和不足,針對(duì)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(duì)小型化螺桿的一套可行的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法和新穎的推桿凹槽的送料方式.通過(guò)對(duì)裝配好的噴頭裝置的擠出試驗(yàn),證明采用顆粒體進(jìn)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(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),該噴頭裝置具有良好的應(yīng)用前景。 (2)熔融堆積工藝參數(shù)對(duì)擠出絲材粘結(jié)

5、質(zhì)量影響的熱學(xué)分析堆積絲材間的粘接質(zhì)量直接影響著堆積原型的機(jī)械力學(xué)性能.根據(jù)ABS-P400絲材的熱學(xué)參數(shù)和商用FDM2000成形機(jī)的成形參數(shù)設(shè)置,通過(guò)對(duì)絲材堆積物理?xiàng)l件的合理假設(shè),結(jié)合絲材熱粘結(jié)的機(jī)理分析,建立了擠出絲材溫度變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型和絲材堆積溫度場(chǎng)的有限元模型,同時(shí)對(duì)直接影響絲材粘結(jié)質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行了定量的研究,并分析了對(duì)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(kāi)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(guò)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(diǎn),將一段路徑的絲材堆積劃分成五個(gè)階段,對(duì)絲材堆積的質(zhì)量問(wèn)題分別從工藝參數(shù)的設(shè)置、原型截面的幾何特點(diǎn)和出絲速度與掃描運(yùn)動(dòng)速度的耦合三個(gè)方面進(jìn)行了研究,并分析了堆積的拉絲缺陷問(wèn)題,進(jìn)而針對(duì)成形過(guò)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(duì)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(jī)理,建立了原型的翹曲變形模型,同時(shí)定量地分析了各種工藝參數(shù),包括堆積層數(shù),截面長(zhǎng)度,環(huán)境溫度和材料的線收縮率對(duì)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(guò)程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象,并結(jié)合研究實(shí)例提出了減小原型翹曲變形的相應(yīng)措施。 (5