撞针式微液滴塑料增材成型技术研究

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3D打印技术近年来备受国内外重视,相应的加工技术层出不穷,主要研究思想是基于离散-积分的增材制造加工技术。加工材料种类增多,使得增材制造加工技术适应性更强,在各个行业均有应用。但真正的进行大规模工业生产还需很长的时间周期,尽管加工材料日益增加,但是其强度和产业化很难满足使用要求。本文提出的撞针式微液滴增材制造技术优势在于低成本、原材料利用率较高、加工设备易操作等,目前针对黏度较高的聚合物进行喷射加工难度系数很大,尤其是以塑料树脂为加工原材料的3D打印技术还需进一步研究和发展,所以本文对高聚物微液滴喷射增材制造技术进行了基础研究。1.采用撞针式喷射技术对高聚物熔体进行喷射成型,并对高聚物熔融液滴喷射过程进行了细致的理论分析,重点在于熔体喷射模型建立,推导出高聚物熔体满足喷射条件的最小喷射速度,总结了液滴喷射的初始条件。2.利用键合图建模理论研究了喷嘴内部高聚物熔体的状态以及高聚物熔体喷射过程,获得了影响微液滴喷射速度、单个液滴体积和液滴固化后的形态的主要参数有:喷嘴结构、微孔直径、熔体压力、驱动脉冲频率及脉宽等。并利用无网格数值模拟软件获得了微孔喷嘴喷射高温熔体的全过程。由模拟结果可知,在熔体束喷射的全过程中,撞针的作用突出,且喷嘴直径越小,喷射速度越大,单个液滴体积越小。3.在撞针式微液滴喷射技术的理论基础上,重点分析了系统的动态特性,研究了微液滴喷射过程中撞针的位移特性和速度特性,完成了电-液驱动撞针式液滴喷射成型系统整合设计。并为微液滴喷射成型机理研究和加工工艺研究提供实验平台。4.利用自行搭建的微液滴喷射装置,进行了系统的微液滴喷射实验和三维实体成型实验,研究了熔体压力、驱动脉冲频率及脉宽等对单个液滴平均体积和固化后的形态的影响,实验结果表明熔体压力对单个液滴体积的影响较大,二者的数学关系大致成正比例关系;单个液滴体积随着驱动脉冲的脉宽增大而增大,脉冲频率主要影响液滴固化后的形态,比如液滴与基板的夹角,液滴的高度以及液滴的最大直径等。驱动脉冲频率越大,液滴固化后与基板的夹角越小,液滴高度越小,而体积与质量却保持不变。最后进行了三维打印件的冲击性能测试,提供了一种衡量此类3D打印件力学性能的方法。
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