耐热性聚醚醚酮树脂的增材与减材复合制造关键技术研究

发布时间：2020-04-16 22:38

【摘要】：增材制造技术能实现功能性复杂零件的直接生产成形,但利用增材制造技术所加工出的零件表面质量通常难以令人满意,不能直接投入使用;减材制造具有表面质量好,尺寸精度高,形状精度优等优点,将两者结合起来有很重要的研究意义。近几年,结合了增材制造与传统减材加工优点的增减材复合加工技术正吸引着越来越多研究者的目光。但是,目前该技术发展还不够成熟,在增材与减材复合制造工艺以及软件控制方面缺乏深入的理论指导。聚醚醚酮(PEEK)是一种性能优异的耐热性树脂,在航空航天、汽车电子和医疗机械等领域有广阔的应用前景,在某些方面可以替代金属、陶瓷,相对于传统的注塑成型,PEEK材料也可以熔融沉积成型,但是由于PEEK材料比传统的熔融沉积成型材料熔点高(343℃)、熔融粘度大,利用现有的熔融沉积成型设备打印PEEK材料有很大挑战。本课题开展了基于熔融沉积成型PEEK材料的增材与减材复合制造的关键技术研究。设计了耐热性聚醚醚酮树脂熔融沉积成型的双加热块喷头结构,搭建了 PEEK材料的熔融沉积成型设备,通过闭环温度控制系统精准控制喷头和加热底板的温度,实现PEEK材料的熔融沉积成型。仿真研究了 PEEK材料熔融沉积成型的喷头流道内流体温度场、粘度场以及压力场分布规律,分析了喷头流道内PEEK材料的流动性及熔融情况。结果表明,随着加热温度的升高以及送丝速度的减小,喷头流道内PEEK材料的熔融区变大,流动性变好,挤出压力变小,通过仿真获得了适合PEEK材料熔融沉积成型的工艺参数范围。研究了打印温度对熔融沉积成型PEEK零件力学性能和表面质量的影响规律。结果表明,在打印层厚和打印速度一定时,随着打印温度的升高,零件的拉伸强度、致密度以及表面质量都会提高。当打印温度低于380℃,零件的力学性能和表面质量明显变差,在打印温度为440℃时,零件力学性能和表面质量最优。研究了打印层厚对熔融沉积成型PEEK零件力学性能和表面质量的影响规律。在打印温度和打印速度一定时,随着打印层厚的增加,零件的拉伸强度、致密度变小,表面粗糙度变大。研究发现,当打印层厚大于喷嘴直径的二分之一时,零件力学性能和表面质量会明显变差。研究了打印速度对熔融沉积成型PEEK零件力学性能和表面质量的影响规律。选用直径(?)0.6mm和(?)0.8mm的喷嘴,在打印温度和打印层厚一定时,随着打印速度的提高,零件的力学性能和表面质量变差,建议打印速度不超过23mm/s;选用直径(?)0.4mm的喷嘴,当打印速度为20mm/s-23mm/s时,零件的表面质量较好,低于20mm/s或高于23mm/s时,零件的表面质量较差。优化了采用直径00.4mm、00.6mm和00.8mm喷嘴对应的熔融沉积工艺参数,优化后的工艺参数与仿真结果差别较小,间接验证了有限元仿真的合理性。研究了熔融沉积成型过程的数据处理特点,结合熔融沉积成型工艺参数和铣削工艺参数,开发了增材与减材复合制造的数据处理系统,并通过数控加工软件Mach3Mil1验证这种增材与减材集成数据处理系统的可行性。为复合制造数据处理系统提供数据支持,补充熔融沉积成型聚醚醚酮的铣削实验研究,结果表明,随着铣削速度的增大和每齿进给量的减小,PEEK零件加工表面粗糙度减小,进而优化了熔融沉积成型PEEK零件的铣削工艺参数。
【图文】：

山东大学硕士学位论文的Ｓｗｉｎｂｕｒｎｅ大学推出的一种将铁粉混合到尼龙Ｐ３０１中的金丝过程中添加了一定量的增塑剂和表面活性剂。同年美国ＶｉｒＴＬＣＰ纤维的ＦＤＭ打印，该材料有优于ＡＢＳ四倍的拉伸强度［公司推出了工程材料ＰＣ的ＦＤＭ打印机，，该材料的强度及耐料，之后开发了邋ＰＣ／ＡＢＳ材料，该材料结合了邋ＰＣ材料的强度，性能明显优于ＡＢＳ。２００２年Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司又推出耐高温２３０Ｆ，具有高的强韧性及化学品性［７，８］。逡逑

品质量的同时，还可以减少加工过程中资源浪费，保护环境。对那些经常用在国逡逑防和航天领域的金属材料而言，增减材复合制造技术的应用推广必将是行业关注逡逑的重点［５３］。图１－３展示了增减材复合制造系统的优势。逡逑增材与减材复合制造技术是在三维ＣＡＤ／ＣＡＭ软件的驱动下完成增材层层叠逡逑加和减材机加工复合的过程［５４］。因此，搭建一个增减材复合制造系统首先应该考逡逑虑采用何种增材与减材集成的方式，然后在这种集成方式下如何搭建硬件平台以逡逑及软件平台，最后应该保证软件系统能控制硬件平台正常工作。增减材复合制造逡逑系统应该包括以下几个模块单元：数控加工模块、增材制造模块、软件控制模块逡逑以及送料、保温等辅助模块［５５］。逡逑７逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ326.5;TB33

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本文编号：2630110