木塑材料快速成形件性能及其关键技术的研究

论文摘要

选区激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)借助于计算机辅助设计与制造,采用分层制造叠加原理,将固体粉末直接成形为三维实体零件。用聚合物及其复合粉末成形功能件是SLS技术的一个重要发展方向,具有广阔的应用前景。虽然国内外研究者对聚合物及其复合粉末的制备与SLS成形进行了较为深入的研究,但仍存在许多技术性难题急需解决,由此针对木塑复合材料进行选区激光烧结关键性技术的系统研究具有一定的前瞻性。综述了快速成形技术产生的背景、国内外研究现状和发展趋势,重点阐述和分析了选区激光烧结技术国内外的研究现状、工作原理和工艺特点,在此基础上提出了本课题的研究目的和意义。重点解决木塑快速成形件性能及关键技术的问题,达到降低材料成本和扩大快速原型材料应用范围的目的。综合借鉴现有的有关界面相容和烧结理论方面的成果,仔细分析了木粉、热熔胶(PES)和塑料(PP)的特性,重点研究了它们混合后的相容性及烧结特性,在此基础上进行了混粉的制备和工艺流程的制定。通过试验和分析,采取了一定措施改善木塑界面的相容性。通过研究提出了改善木塑界面相容性有二种途径：通过碱化方法对木纤维进行表面处理,降低与疏水性聚合物间的相斥作用；添加合适的界面相容剂。通过试验和SEM分析,指出了在木塑复合材料烧结过程中存在范德华力、静电力和毛细管力等力且这些力的作用促使木塑粉末颗粒的有效接触,形成烧结颈,产生分子链段这一现象,揭示出分子链段内旋转是聚合物烧结的物质主要迁移机制这一本质,且发现随着温度的升高,分子链段的柔性增加,刚性减小这一特性。通过理论和试验,较详细分析了木塑复合材料在选区激光烧结过程中所产生的温度场、热应力及热应变场的变化趋势,并以能量密度的角度对热量传输和分布作了一定的阐述。通过试验和理论分析,系统地研究了SLS成形件的精度问题,分别讨论了成形件精度的各种组成部分及其形成原因和影响,概括出成形件的误差包括机器系统的误差,CAD模型误差,工艺误差及次级烧结和Z轴“盈余”所产生的误差。着重指出成形零件的主要形状误差是成形翘曲,成形翘曲主要是由层与层之间收缩的不连续引起；翘曲分为一维翘曲和二维翘曲。在成形机上烧结木塑复合材料并形成试件,进而对试件进行力学性能的测试、扫描电镜SEM的分析及烧结工艺参数的优化试验,试验表明：木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度、拉伸模量和弯曲模量均随着木粉和MAH的加入量的变化而变化；相容剂的使用有利于复合材料力学性能的提高；采用优化烧结工艺参数成形的烧结件密度大,力学性能大大提高。通过解决上述关键性技术难题,促进了国内SLS用聚合物及其复合粉末的发展,填补了国际和国内利用木塑复合材料进行激光烧结技术的空白,对推动我国SLS技术的整体进步,进一步扩展SLS技术在各个行业中的应用具有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 快速成型技术概述
• 1.1.1 快速成型技术的一般定义
• 1.1.2 RP技术产生的背景和发展历史
• 1.1.3 国内外RP相关研究现状及发展趋势
• 1.2 选区激光烧结（SLS）技术概况
• 1.2.1 选区激光烧结技术国内外发展和研究现状
• 1.2.2 选区激光烧结的工作原理
• 1.2.3 选区激光烧结的工艺特点
• 1.3 本课题研究的目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题的目的和意义
• 1.4 本文研究内容
• 2 木粉和热熔胶等混粉界面相容性和烧结特性的研究
• 2.1 混粉的组成和制备工艺流程
• 2.1.1 混粉的组成及配比
• 2.1.2 制备工艺流程
• 2.2 木粉基本特性对木塑复合材料性能的影响
• 2.2.1 木粉基本特性
• 2.2.2 影响木塑复合材料性能的要素
• 2.3 木粉表面特性和木塑复合材料的界面特性
• 2.3.1 木粉表面特性
• 2.3.2 木塑复合材料的界面特性
• 2.4 木塑复合界面结合理论及改善界面相容措施
• 2.4.1 木塑复合界面结合理论
• 2.4.2 木塑复合界面相容过程及分析
• 2.4.3 改善木塑复合界面相容性的措施
• 2.5 粉末烧结的基本理论
• 2.5.1 颗粒内部质点的扩散能力和本征烧结性
• 2.5.2 粉末系统烧结的热力学驱动力
• 2.6 烧结的基本过程
• 2.6.1 颗粒的接触
• 2.6.2 烧结颈的长大
• 2.7 本章小结
• 3 选区激光烧结温度场、应变力场和热量传输的研究
• 3.1 温度场
• 3.1.1 三维瞬态温度场基本方程
• 3.1.2 瞬态热传导的有限单元法
• 3.1.3 粉床温度场分析
• 3.2 热应力、热应变场
• 3.2.1 热弹塑性应力应变基本方程
• 3.2.2 热弹塑性有限元求解法
• 3.2.3 粉床热应力、热应变场分析
• 3.3 激光扫描的热量传输
• 3.3.1 激光热源与相变处理
• 3.3.2 表层粉末所接受的能量密度
• 3.3.3 激光扫描下表层粉末所接受的能量密度的简化形式
• 3.4 本章小结
• 4 基于选区激光烧结技术对木塑材料成形精度的研究
• 4.1 设备误差、CAD模型误差、工艺误差对烧结成形质量的影响
• 4.1.1 尺寸精度
• 4.1.2 形状精度
• 4.1.3 减小收缩的措施
• 4.2 次级烧结对烧结成形质量的影响
• 4.2.1 次级烧结形成的原因
• 4.2.2 试验
• 4.2.3 影响次级烧结的因素
• 4.3 Z轴"盈余"对烧结成形质量的影响
• 4.3.1 Z轴"盈余"形成的原因
• 4.3.2 试验
• 4.3.3 影响Z轴"盈余"的因素
• 4.4 本章小结
• 5 基于SLS技术木塑复合材料成形件力学性能的研究
• 5.1 试件的制作及测试
• 5.2 影响复合材料成形件力学性能的因素
• 5.2.1 木粉用量对成形件力学性能的影响
• 5.2.2 MAH含量对成形件力学性能的影响
• 5.2.3 试样断面结构SEM分析
• 5.3 SLS的成形工艺参数对木塑复合材料烧结性能的影响
• 5.3.1 SLS成形工艺参数的优化
• 5.3.2 扫描速度及激光功率对烧结密度的影响
• 5.3.3 扫描间距对烧结密度的影响
• 5.3.4 预热温度对烧结密度的影响
• 5.3.5 试样断面结构SEM分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢