碳纤维复合材料3D打印机喷头分析和设计
发布时间：2021-08-26 14:24
3D打印制造是一项新兴技术,是制造业领域内快速发展的技术,随着3D打印技术的深入应用,打印材料由单一材料转变为复合材料,其中碳纤维复合材料是目前研究最广泛的复合材料之一。而喷头作为碳纤维复合材料3D打印机的关键零件,对打印的工作效率、打印精度和制造工艺成本有至关重要的影响。连续碳纤维复合材料的3D打印较短切碳纤维和单一的热塑性材料的打印,目前还没有成熟的技术应用到实际工程中去。本文采用理论分析、实物研制、有限元分析和实验相结合的研究方法,针对碳纤维复合材料3D打印机喷头展开研究,研究的内容具体包括以下几个方面:本文基于国内外碳纤维复合材料3D打印工艺的方案和打印喷头的设计,搭建了复合材料3D打印实验平台,碳纤维预处理实验平台,研制了碳纤维复合材料打印喷头、喷头固定装置、连续碳纤维预处理浸润装置,为研究提供设计方案和实验平台。分析了复合材料的界面粘结原理,采取液相氧化的碳纤维表面氧化处理方法,对碳纤维丝进行预处理,提高复合材料界面强度;分析了有限元热分析原理,针对现有喷头温度结构上的不合理性的地方,基于喷头温度场分析,提出结构优化设计方案,并对比分析了优化前后的喷头温度分布情况。分析了打...
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MarkOne设备及复合材料样件Fig.1-1MarkOneequipmentandcompositematerialsamples
3D 打印技术可以根据打印原理的不同分为选择性激光烧结（SLS）、层压固（LOM）、光固化工艺（SLA）、熔融沉积（FDM）[26]。日本东京理工大学亮介等研发的 3D 打印机能够实现打印连续碳纤维复合材料，它是使浸入树脂续纤维表面均匀包裹一层基体，然后再通过 3D 打印机实现复合材料的制造ossible Objects 公司研究出复合材料 3D 打印的新工艺是将材料在打印热源内进，且中使用高度纤维制备 3D 打印复合材料方式，通过这种方式打印出来的材能明显比传统热塑材料性能提高数倍[27-29]。西安交通大学的田小永[30]使用纤维热塑性树脂为原材料，两种材料分别通过两个通道进入打印机喷头，通过驱动的送丝电机的作用将热塑性树脂材料源源不断的输入到 3D 打印头中，热塑性料在打印头内部加热和熔化，使得在打印头内部加热和熔化的热塑性树脂材料导管被送入喷头中的纤维充分浸渍，与此同时，经熔融的热塑性树脂材料包覆干丝在熔腔压力作用下被挤出，然后将树脂基质快速冷却并固化以粘附到工件，经三维运动成形为长丝纤维增强的 3D 打印试件，其连续碳纤维热塑性复合D 打印实验台及打印喷头如图 1-2 所示，连续纤维增强复合材料 3D 打印原理 1-3 所示：
图 1-3 连续纤维增强复合材料 3D 打印原理图Fig.1-3 Schematic representation of 3D printing process for CFRTPCs，复合材料 3D 打印技术已经成为现在研究的热点，而碳纤维被大量应用到3D打印技术中，相比连续碳纤维复合材料的研究合材料比较早也相对成熟，但其性能无法满足很多领域中生产复合材料因为其性能优异，已经成为学者研究的重点。现在已于连续纤维的 3D 打印技术打印设备和工艺，但因为种种客观缓慢，仍然停留在实验验证阶段，且其打印的设备、打印的工尚不明确。本文在现有的复合材料 3D 打印的基础上，主要围喷头的分析和研制，对打印领域中连续碳纤维材料的打印进行料增材制造技术的发展以及喷头装置的设计提供思路。要研究的内容于现有的 FDM 3D 打印技术和复合材料 3D 打印的工艺，主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃钢材料拉伸力学性能试验研究[J]. 李燕,吴竞. 绿色环保建材. 2018(12)
[2]碳纤维增强热固性塑料研究进展[J]. 罗成果,夏伟龙. 河南化工. 2018(09)
[3]纤维增强复合材料3D打印研究进展[J]. 刘晓军,YESSIMKHAN SHALKAR,李飞,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(06)
[4]粒料3D打印机机头传热结构优化设计[J]. 刘晓军,王成硕,迟百宏,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(04)
[5]FDM技术制备高分子复合材料研究进展[J]. 孔甜甜,阚鑫禹,薛平,贾明印. 塑料工业. 2017(03)
[6]3D打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用[J]. 方鲲,向正桐,张戬,杨琳,胡国华,崔可健,徐坚. 新材料产业. 2017(01)
[7]基于熔融挤压快速成型的3D打印关键技术发展现状[J]. 邓佳文,王冰,沈峰,冒卫星,张政,黄明宇. 化工新型材料. 2016(10)
[8]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[9]熔融沉积成型过程喷头的传热模拟及实验研究[J]. 王利,李自良,王靖,祁冬杰,杨东方. 机械与电子. 2016(01)
[10]Arevo实验室材料可以制造3D打印复合材料部件[J]. 厉娜. 玻璃钢. 2015(04)
博士论文
[1]拉伸弯曲复合载荷材料力学性能原位测试装置设计分析与试验研究[D]. 李海连.吉林大学 2018
[2]玄武岩纤维的性能及其增强热塑性复合材料的界面改性[D]. 应淑妮.华东理工大学 2011
硕士论文
[1]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[2]形状记忆碳纤维复合材料3D打印技术[D]. 王国峰.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于FDM工艺的3D打印机成型精度研究[D]. 李传帅.华北电力大学 2017
[4]碳纤维改性及其复合材料性能研究[D]. 张杰.天津工业大学 2016
[5]3D打印设备散热片结构热分析与优化设计[D]. 汪铁丰.广西科技大学 2015
[6]3D打印挤出机热力学分析及结构优化设计[D]. 肖亮.西安工程大学 2015
[7]FDM快速成型进给系统的研究与设计[D]. 王远伟.华中科技大学 2015
[8]碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 王淑娟.吉林大学 2013
[9]形状记忆变刚度空间可展开结构的设计[D]. 张蕊瑞.哈尔滨工业大学 2011
[10]熔融沉积快速成型精度及工艺研究[D]. 张媛.大连理工大学 2009
本文编号：3364405
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MarkOne设备及复合材料样件Fig.1-1MarkOneequipmentandcompositematerialsamples
3D 打印技术可以根据打印原理的不同分为选择性激光烧结（SLS）、层压固（LOM）、光固化工艺（SLA）、熔融沉积（FDM）[26]。日本东京理工大学亮介等研发的 3D 打印机能够实现打印连续碳纤维复合材料，它是使浸入树脂续纤维表面均匀包裹一层基体，然后再通过 3D 打印机实现复合材料的制造ossible Objects 公司研究出复合材料 3D 打印的新工艺是将材料在打印热源内进，且中使用高度纤维制备 3D 打印复合材料方式，通过这种方式打印出来的材能明显比传统热塑材料性能提高数倍[27-29]。西安交通大学的田小永[30]使用纤维热塑性树脂为原材料，两种材料分别通过两个通道进入打印机喷头，通过驱动的送丝电机的作用将热塑性树脂材料源源不断的输入到 3D 打印头中，热塑性料在打印头内部加热和熔化，使得在打印头内部加热和熔化的热塑性树脂材料导管被送入喷头中的纤维充分浸渍，与此同时，经熔融的热塑性树脂材料包覆干丝在熔腔压力作用下被挤出，然后将树脂基质快速冷却并固化以粘附到工件，经三维运动成形为长丝纤维增强的 3D 打印试件，其连续碳纤维热塑性复合D 打印实验台及打印喷头如图 1-2 所示，连续纤维增强复合材料 3D 打印原理 1-3 所示：
图 1-3 连续纤维增强复合材料 3D 打印原理图Fig.1-3 Schematic representation of 3D printing process for CFRTPCs，复合材料 3D 打印技术已经成为现在研究的热点，而碳纤维被大量应用到3D打印技术中，相比连续碳纤维复合材料的研究合材料比较早也相对成熟，但其性能无法满足很多领域中生产复合材料因为其性能优异，已经成为学者研究的重点。现在已于连续纤维的 3D 打印技术打印设备和工艺，但因为种种客观缓慢，仍然停留在实验验证阶段，且其打印的设备、打印的工尚不明确。本文在现有的复合材料 3D 打印的基础上，主要围喷头的分析和研制，对打印领域中连续碳纤维材料的打印进行料增材制造技术的发展以及喷头装置的设计提供思路。要研究的内容于现有的 FDM 3D 打印技术和复合材料 3D 打印的工艺，主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃钢材料拉伸力学性能试验研究[J]. 李燕,吴竞. 绿色环保建材. 2018(12)
[2]碳纤维增强热固性塑料研究进展[J]. 罗成果,夏伟龙. 河南化工. 2018(09)
[3]纤维增强复合材料3D打印研究进展[J]. 刘晓军,YESSIMKHAN SHALKAR,李飞,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(06)
[4]粒料3D打印机机头传热结构优化设计[J]. 刘晓军,王成硕,迟百宏,焦志伟,杨卫民. 塑料. 2017(04)
[5]FDM技术制备高分子复合材料研究进展[J]. 孔甜甜,阚鑫禹,薛平,贾明印. 塑料工业. 2017(03)
[6]3D打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用[J]. 方鲲,向正桐,张戬,杨琳,胡国华,崔可健,徐坚. 新材料产业. 2017(01)
[7]基于熔融挤压快速成型的3D打印关键技术发展现状[J]. 邓佳文,王冰,沈峰,冒卫星,张政,黄明宇. 化工新型材料. 2016(10)
[8]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索[J]. 田小永,刘腾飞,杨春成,李涤尘. 航空制造技术. 2016(15)
[9]熔融沉积成型过程喷头的传热模拟及实验研究[J]. 王利,李自良,王靖,祁冬杰,杨东方. 机械与电子. 2016(01)
[10]Arevo实验室材料可以制造3D打印复合材料部件[J]. 厉娜. 玻璃钢. 2015(04)
博士论文
[1]拉伸弯曲复合载荷材料力学性能原位测试装置设计分析与试验研究[D]. 李海连.吉林大学 2018
[2]玄武岩纤维的性能及其增强热塑性复合材料的界面改性[D]. 应淑妮.华东理工大学 2011
硕士论文
[1]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[2]形状记忆碳纤维复合材料3D打印技术[D]. 王国峰.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于FDM工艺的3D打印机成型精度研究[D]. 李传帅.华北电力大学 2017
[4]碳纤维改性及其复合材料性能研究[D]. 张杰.天津工业大学 2016
[5]3D打印设备散热片结构热分析与优化设计[D]. 汪铁丰.广西科技大学 2015
[6]3D打印挤出机热力学分析及结构优化设计[D]. 肖亮.西安工程大学 2015
[7]FDM快速成型进给系统的研究与设计[D]. 王远伟.华中科技大学 2015
[8]碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 王淑娟.吉林大学 2013
[9]形状记忆变刚度空间可展开结构的设计[D]. 张蕊瑞.哈尔滨工业大学 2011
[10]熔融沉积快速成型精度及工艺研究[D]. 张媛.大连理工大学 2009
本文编号：3364405
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