海泡石族矿物纤维改性尼龙12复合材料的制备及FDM成型工艺研究
发布时间：2021-03-01 21:21
在3D打印技术中,熔融沉积成型（fused deposition modeling,FDM）因其设备简单、工艺洁净、运行成本低等优点,是应用最普遍的一类快速成形方法。PA12因为具有良好的热力学性能及较合适的熔融粘度,成为目前应用最为广泛的FDM成型材料之一。由于成型工艺限制,PA12 FDM成型件内部,尤其是层间还会存在一定的孔洞,造成其力学性能一般低于注塑制品;同时由于热膨胀系数较高,PA12在FDM打印中容易发生翘曲,成型件尺寸精度还需提升。本论文选用海泡石族矿物纤维（海泡石与凹凸棒石）为改性剂,利用其表面存在羟基（Si-OH）可与PA12中羰基形成氢键来提升填料和基体之间的界面黏合,实现矿物纤维在基体中的均匀分散,优化复合材料的机械、热膨胀等性能;并通过打印方向、速度、温度等关键工艺参数的调控,引导矿物纤维在基体中的取向,进一步优化PA12复合材料打印件综合性能。本文的研究成果主要涵盖如下三个方面:（1）采用双螺杆混合工艺,通过挤出温度、速度的优化,分别实现微米级海泡石纤维（SEP）和纳米级凹凸棒石纤维（ATP）在PA12基体中的均一分散。并通过合理调控耗材挤出系统的工艺参数,...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)“减材”制造与(b)“增材”制造[15]
第一章绪论91.4.2FDM工艺研究在熔融沉积成型方式应用于生产之前，对其各个参数的研究是非常有必要的。不同的打印参数对打印过程产生不同的方式的、不同程度地影响，分析其运行地过程与原理可以在打印之前优化打印过程，减少能源浪费、节约材料、提高效率、缩短生产周期、降低生产成本，并且可以针对打印过程中的误差进行相关的参数以及对打印设备的维护起着重要作用。影响熔融沉积成型的打印产品质量的因素有很多，图片1.1列举了熔融沉积成型系统的关键因素及相关参数[47]。图1.2FDM打印系统的主要影响因素及其参数[47]就特定材料而言，关键影响因素为沉积方向、工艺参数、打印机设定。而环境因素的影响则因材料而异，对于部分材料影响巨大，而部分材料则影响不大，如ABS丝材与PA12丝材在进行打印之前需要对丝材烘干以防止湿度过大而导致打印过程中挤出的丝料含有气泡而影响产品的致密性、美观与机械性能，而PLA等材料的吸水率小的丝材则不用考虑这一因素。大量研究人员对以上三种主要影响因素进行了研究：Sood[48]等人使用中心复合设计实验，利用方差分析实验模型有效性，通过对比取向、光栅角度、光栅宽度、层厚、气隙等五个工艺参数与打印产品的拉伸、冲击、弯曲等机械强度的影响而确定最优参数设定，并且利用期望函数的计算得到了最优效果。Lanzotti[49]等人研究了层厚、栅格角度和壁厚对PLA力学件的极限拉伸强度(UTS)、断裂伸长率(εf)的影响。发现层厚靠近0.18mm、栅格角度接近靠近0°、壁厚增加都会使产品的UTS产生变大的趋势，反之则会变校在层厚为0.15mm时产品的断裂伸长率达到最大值。Es-Said[50]等人通过统计法发现
第二章复合打印丝材的制备与最佳打印温度探索18SEP以120°C烘干24h。最后分别取出烘干后的SEP与ATP球磨2h过120筛子，得到纯化后的ATP和SEP。提纯后的ATP与SEP的SEM图像如图2.1所示。根据图片可以发现SEP为微米级纤维，ATP为纳米级纤维，两者尺寸存在较大的差距。这种尺寸上的差距对导致两种纤维对PA12的增强效果不一致。相关研究[80]显示，在相同含量的情况下，纤维长度更长的纤维会导致界面结合程度提升，从而导致力学性能的提升。因此，推测PA12/SEP复合材料的拉伸性能、弯曲性能相较于ATP可以达到更高。图2.1提纯后的ATP与SEP的SEM图像将提纯后的SEP和ATP与PA12进行复合制备PA12/SEP和PA12/ATP复合丝材，其复合工艺及打印流程如图2.2所示图2.2PA12/矿物纤维复合丝材制备与FDM打印流程
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃纤维长度对聚丙烯/玻璃纤维复合材料力学性能的影响[J]. 刘玉鹏,么桂彬,许浩骏,雷飞. 上海塑料. 2019(03)
[2]3D打印高分子材料的研究进展[J]. 冷洋,许苗军,李斌. 化工新型材料. 2017(12)
[3]日本双日成立新公司利用金属3D打印机生产零部件[J]. 编辑部. 粉末冶金工业. 2017(06)
[4]熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究[J]. 韩江,王益康,田晓青,江本赤,夏链. 制造技术与机床. 2016(06)
[5]3D打印材料的研究及发展现状[J]. 张胜,徐艳松,孙姗姗,臧文慧,孙军,谷晓昱. 中国塑料. 2016(01)
[6]3D打印建筑——建筑业的一场革命[J]. 蒋萌,李云辉,苏达. 工程建设与设计. 2015(11)
[7]PEEK熔融沉积成形温度对零件拉伸性能的影响[J]. 赵峰,李涤尘,靳忠民,曹毅,石长全. 电加工与模具. 2015(05)
[8]3D打印用高分子材料的研究与应用进展[J]. 张云波,乔雯钰,张鑫鑫,马芳,翟莲娜,顾哲明. 上海塑料. 2015(01)
[9]Optimization of fused deposition modeling process parameters:a review of current research and future prospects[J]. Omar A.Mohamed,Syed H.Masood,Jahar L.Bhowmik. Advances in Manufacturing. 2015(01)
[10]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
博士论文
[1]复杂组分梯度仿生3D打印系统及其3D/4D打印应用研究[D]. 宋正义.吉林大学 2019
[2]蚕丝丝素纤维增强聚（ε-己内酯）复合材料的制备、表征与应用研究[D]. 李伟.上海交通大学 2009
本文编号：3058047
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)“减材”制造与(b)“增材”制造[15]
第一章绪论91.4.2FDM工艺研究在熔融沉积成型方式应用于生产之前，对其各个参数的研究是非常有必要的。不同的打印参数对打印过程产生不同的方式的、不同程度地影响，分析其运行地过程与原理可以在打印之前优化打印过程，减少能源浪费、节约材料、提高效率、缩短生产周期、降低生产成本，并且可以针对打印过程中的误差进行相关的参数以及对打印设备的维护起着重要作用。影响熔融沉积成型的打印产品质量的因素有很多，图片1.1列举了熔融沉积成型系统的关键因素及相关参数[47]。图1.2FDM打印系统的主要影响因素及其参数[47]就特定材料而言，关键影响因素为沉积方向、工艺参数、打印机设定。而环境因素的影响则因材料而异，对于部分材料影响巨大，而部分材料则影响不大，如ABS丝材与PA12丝材在进行打印之前需要对丝材烘干以防止湿度过大而导致打印过程中挤出的丝料含有气泡而影响产品的致密性、美观与机械性能，而PLA等材料的吸水率小的丝材则不用考虑这一因素。大量研究人员对以上三种主要影响因素进行了研究：Sood[48]等人使用中心复合设计实验，利用方差分析实验模型有效性，通过对比取向、光栅角度、光栅宽度、层厚、气隙等五个工艺参数与打印产品的拉伸、冲击、弯曲等机械强度的影响而确定最优参数设定，并且利用期望函数的计算得到了最优效果。Lanzotti[49]等人研究了层厚、栅格角度和壁厚对PLA力学件的极限拉伸强度(UTS)、断裂伸长率(εf)的影响。发现层厚靠近0.18mm、栅格角度接近靠近0°、壁厚增加都会使产品的UTS产生变大的趋势，反之则会变校在层厚为0.15mm时产品的断裂伸长率达到最大值。Es-Said[50]等人通过统计法发现
第二章复合打印丝材的制备与最佳打印温度探索18SEP以120°C烘干24h。最后分别取出烘干后的SEP与ATP球磨2h过120筛子，得到纯化后的ATP和SEP。提纯后的ATP与SEP的SEM图像如图2.1所示。根据图片可以发现SEP为微米级纤维，ATP为纳米级纤维，两者尺寸存在较大的差距。这种尺寸上的差距对导致两种纤维对PA12的增强效果不一致。相关研究[80]显示，在相同含量的情况下，纤维长度更长的纤维会导致界面结合程度提升，从而导致力学性能的提升。因此，推测PA12/SEP复合材料的拉伸性能、弯曲性能相较于ATP可以达到更高。图2.1提纯后的ATP与SEP的SEM图像将提纯后的SEP和ATP与PA12进行复合制备PA12/SEP和PA12/ATP复合丝材，其复合工艺及打印流程如图2.2所示图2.2PA12/矿物纤维复合丝材制备与FDM打印流程
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃纤维长度对聚丙烯/玻璃纤维复合材料力学性能的影响[J]. 刘玉鹏,么桂彬,许浩骏,雷飞. 上海塑料. 2019(03)
[2]3D打印高分子材料的研究进展[J]. 冷洋,许苗军,李斌. 化工新型材料. 2017(12)
[3]日本双日成立新公司利用金属3D打印机生产零部件[J]. 编辑部. 粉末冶金工业. 2017(06)
[4]熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究[J]. 韩江,王益康,田晓青,江本赤,夏链. 制造技术与机床. 2016(06)
[5]3D打印材料的研究及发展现状[J]. 张胜,徐艳松,孙姗姗,臧文慧,孙军,谷晓昱. 中国塑料. 2016(01)
[6]3D打印建筑——建筑业的一场革命[J]. 蒋萌,李云辉,苏达. 工程建设与设计. 2015(11)
[7]PEEK熔融沉积成形温度对零件拉伸性能的影响[J]. 赵峰,李涤尘,靳忠民,曹毅,石长全. 电加工与模具. 2015(05)
[8]3D打印用高分子材料的研究与应用进展[J]. 张云波,乔雯钰,张鑫鑫,马芳,翟莲娜,顾哲明. 上海塑料. 2015(01)
[9]Optimization of fused deposition modeling process parameters:a review of current research and future prospects[J]. Omar A.Mohamed,Syed H.Masood,Jahar L.Bhowmik. Advances in Manufacturing. 2015(01)
[10]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
博士论文
[1]复杂组分梯度仿生3D打印系统及其3D/4D打印应用研究[D]. 宋正义.吉林大学 2019
[2]蚕丝丝素纤维增强聚（ε-己内酯）复合材料的制备、表征与应用研究[D]. 李伟.上海交通大学 2009
本文编号：3058047
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