面向共挤出工艺的基质材料自适应调节模型与实现

作     者：杨金秀 

作者单位：上海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚远

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3D打印 纤维增强 沉积间距 动态挤出 

摘      要：基于连续纤维增强复合材料的熔融长丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF)能够改善纯聚合物材料制件的力学强度,提供更好的强度和刚度,已经成为改善3D打印性能的一个重要方法。但在连续纤维增强过程中由于需要增强体和基体材料进行混合成型,容易出现浸渍不充分、层内层间结合性能差、基质与高性能纤维路径不适配而产生孔隙等问题,增加失效的概率。因此,保证基质与纤维材料的充分浸渍、减少因浸渍与纤维路径不适配造成的孔隙以进一步提高样件的整体性能是3D打印领域迫切需要解决的关键技术。本文提出一种基于共挤出工艺的基质材料自适应挤出优化方法,在不改变材料沉积成形路径的前提下,结合沉积间距、打印速度和纤维特性,实现基质材料的自适应挤出和均匀填充,减少填充不均匀造成的内部微孔数量,有效保证纤维增强打印件的强度和稳定性。主要研究工作如下:1)在实验平台方面,利用共挤出打印特点,设计材料挤出机构,以此为基础建立可用于现有FFF装备的通用纤维增强复合材料共挤出实验平台与相应的打印工艺。其中送丝机构安装在打印机外部,共挤出机构采用双入口结构,支持常规基质材料和纤维材料。2)在共挤出工艺方面,针对基质材料挤出量控制提出一种基于打印速度和沉积间距的基本共挤出控制方法:首先根据质量守恒定律,分析了复合材料在不同横截面下的基质挤出量,其次通过引入一个基于实验的补偿系数来补偿基质材料在打印过程中不可预测地损耗,并给出了适合的工艺参数,最后通过对样件路径数据进行分析处理,生成G代码。所设计工艺适用于任意几何结构模型和填充方式的打印。3)在成形优化方面,提出一种自适应基质材料挤出方法,通过路径分析确定基质材料的波动程度,使用卷积操作来实现基质挤出量的平滑,并针对基质材料沉积位置与基质材料送入挤出头不同步问题,对平滑后的基质挤出量进行插值处理。通过自适应的挤出量调节能够保证纤维沉积路径和实际沉积间距之间的适配性,同时降低打印过程中基质挤出量突变造成的打印过程不稳定性。实验表明,本文提出的基于共挤出工艺的基质材料自适应挤出优化方法能适用于不同填充路径和任意形状的几何结构,基于涤纶纤维增强PLA复合材料的制件孔隙率明显减少,强度明显提升。