论文部分内容阅读
3D打印作为一种以物联网为基础的智能制造技术,近年来在工业领域中发展迅速,但以聚合物为耗材的3D打印成型构件的强度普遍较低,限制了产品的应用范围。纤维增强3D打印复合材料为3D打印技术的发展提供了新的思路,分别以短纤维、长丝、纱线组织的方式结合3D打印技术的成型特点制备纤维增强3D打印复合材料,通过高性能纤维的强力优势改善成型构件整体强力,扩大3D打印产品的应用范围。本文在对光固化3D打印技术成型原理研究的基础上,通过对设备的改装重组,在原有3D打印设备上增添了一套自动循环搅拌系统,使新设备能够制备短纤维增强3D打印复合材料,设计了一套制备短纤维增强3D打印复合材料的工艺流程,对短纤维光敏树脂悬浊液中短纤维的分散均匀度进行了研究,成功制备了短纤维增强光固化3D打印复合材料,并对复合材料的力学性能和界面进行了研究分析。通过对熔融沉积3D打印技术成型特点的分析,研究了聚乳酸(PLA)单丝在3D打印成型构件中的分布情况,制备了不同种类的标准拉伸试样,并分析了聚乳酸单丝的直径、排列紧密度、排列方式、对标准试样力学性能的影响。研究了光固化3D打印技术在制作立体空间模型上的特点,在原有光固化3D打印设备的基础上增加了一套纱线编织系统,使新设备能够制备三维编织光固化3D打印复合材料,设计了三维编织光固化3D打印复合材料的制备工艺,成功制备了不同类别的三维编织光固化3D打印复合材料,并分析了不同维度纱线系统对成型复合材料力学性能的影响,结论:(1)实验中在原有3D打印设备的基础上添加了自动循环搅拌系统,利用长度分别为1mm、3mm、5mm的短切碳纤维作为增强体成功制备了短纤维增强光固化3D打印复合材料,分析了复合材料的力学性能,结果表明:与纯光敏树脂相比,添加了1mm和3mm短切碳纤维的复合材料,其拉伸断裂强度较小,添加了5mm短切碳纤维的复合材料,其拉伸断裂强度较大。当所添加短切碳纤维的长度为1mm或3mm时,随着所加入碳纤维质量分数的增加,复合材料的拉伸断裂强度逐渐降低;当所添加的短切碳纤维的长度为5mm时,随着所加入的碳纤维质量分数的增加,复合材料的拉伸断裂强度在增加。碳纤维在复合材料中分布越均匀,复合材料的整体力学性能表现的越优良,碳纤维的增强作用越明显。(2)探索了FDM型3D打印机的工作原理,对PLA线材的打印温度进行了研究。探究了PLA单丝和不同单丝直径下不同单丝排列紧密度、排列方式对所形成构件力学性能的影响,结果表明:由0.2 mm和0.4 mm直径的喷头所喷出PLA单丝,其拉伸断裂强度在实验误差范围内基本一致;PLA单丝排列越紧密,FDM型3D打印构件的拉伸断裂强度越大;当PLA单丝排列紧密度为100%时,PLA单丝排列方式和直径不会影响FDM型3D打印构件的拉伸断裂强度;当PLA单丝排列紧密度小于100%时,由相同直径PLA单丝制备的构件其拉伸断裂强度特点是:构件中PLA单丝按同心线方式排列的拉伸断裂强度最大;PLA单丝按线型方式排列的拉伸断裂强度居中;PLA单丝按网格排列的试样拉伸断裂强度最小;当PLA单丝排列紧密度小于100%且PLA单丝排列方式一致时,相对于0.2 mm PLA单丝由0.4 mm PLA单丝所打印的构件的拉伸断裂强度较大。(3)通过结合三维织造技术和光固化3D打印技术,制备了三维编织光固化3D打印复合材料,其中选择碳纤维纱线、高强聚乙烯纱线、玻璃纤维纱线分别在交织后固化在光敏树脂中。选择二维纱线系统和三维纱线系统分别与光敏树脂制备成复合材料,并分析了复合材料的力学性能,结果表明:嵌入编织纱线后的三维编织光固化3D打印复合材料,其拉伸断裂强度较纯光敏树脂有明显提高,且嵌入高强聚乙烯纱线的复合材料断裂强度提升185.9%,嵌入玻璃纤维纱线的复合材料断裂强度提升84.2%,嵌入碳纤维纱线的复合材料断裂强度提升22.7%;嵌入编织纱线后的三维编织光固化3D打印复合材料,其弹性模量较纯光敏树脂都有提高,且嵌入高强聚乙烯纱线的复合材料提高197.58%,嵌入玻璃纤维纱线的复合材料提高164.55%,嵌入碳纤维纱线的复合材料提高151.51%;光敏树脂向高强聚乙烯纱线和玻璃纤维纱线内部渗透和固化形态较好,光敏树脂向碳纤维纱线内部有渗透但并未完全固化,固化形态较差;三维纱线系统比二维纱线系统更能保持复合材料的整体性与统一性。