三維打印作為一種新興增材制造技術(shù),其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化快速成型,成為高端制造領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵支撐技術(shù)。其中熱塑性材料熔融沉積成型因其成本低、易操作而成為應(yīng)用最為廣泛的三維打印技術(shù)之一。但當(dāng)前三維打印熱塑性材料結(jié)構(gòu)存在機(jī)械強(qiáng)度低、缺乏感知功能的不足,極大地影響了結(jié)構(gòu)件的可靠性,成為亟待突破的關(guān)鍵難題。本文以高強(qiáng)度智能化結(jié)構(gòu)件增材制造為研究目標(biāo),通過(guò)集成連續(xù)碳纖維實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的增強(qiáng)和狀態(tài)自感知。從連續(xù)碳纖維-熱塑性材料三維打印設(shè)備與工藝入手,研究連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能,并在此基礎(chǔ)上,提出基于連續(xù)碳纖維力阻特性的三維打印結(jié)構(gòu)件狀態(tài)自監(jiān)測(cè)方法,最后研究連續(xù)碳纖維增強(qiáng)感知一體化智能結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用。論文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果歸納如下:(1)研究連續(xù)碳纖維增強(qiáng)感知一體化智能結(jié)構(gòu)件的增材制造方法和力學(xué)性能。根據(jù)熱塑性材料熔融沉積成型技術(shù)原理,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了并聯(lián)臂單噴頭連續(xù)碳纖維熱塑性材料三維打印機(jī)和雙噴頭連續(xù)碳纖維熱塑性材料三維打印機(jī),并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。重點(diǎn)研究打印結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能,提出了適合三維打印結(jié)構(gòu)件拉伸力學(xué)性能計(jì)算的改進(jìn)混合定律計(jì)算方法和基于最大強(qiáng)度理論的彎曲力學(xué)性能計(jì)算方法。(2)提出基于連續(xù)碳纖維力阻特性的三維打印結(jié)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷自監(jiān)測(cè)方法。研究了三維打印連續(xù)碳纖維熱塑性材料敏感元的傳感機(jī)理與力阻特性。實(shí)驗(yàn)揭示了電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變之間存在雙線性關(guān)系�；诹簭椥宰冃卫碚�,提出了一種長(zhǎng)標(biāo)距一維力載荷監(jiān)測(cè)方法,通過(guò)建立連續(xù)碳纖維熱塑性材料阻值變化率與不同加載位置載荷間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了一維變位置彎曲載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),最大監(jiān)測(cè)誤差為1.28%。針對(duì)大尺度結(jié)構(gòu)件,提出一種連續(xù)碳纖維網(wǎng)格二維面域自監(jiān)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了載荷加載位置識(shí)別、變形場(chǎng)分布預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)損傷辨識(shí)。(3)實(shí)現(xiàn)在增材制造結(jié)構(gòu)件損傷檢測(cè)及損傷自修復(fù)中的創(chuàng)新應(yīng)用。借助雙噴頭三坐標(biāo)打印機(jī),在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)感知一體化結(jié)構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)建雙組份微脈管網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了打印結(jié)構(gòu)件的損傷檢測(cè)與修復(fù)。設(shè)計(jì)了三種雙組份微脈管修復(fù)體系:平面型、螺旋型和交叉型,通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)研究了三種修復(fù)體系的損傷修復(fù)效果,修復(fù)后最大承載能力分別提高14.04±3.37%、17.00±9.34%、18.24±6.19%。采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了直線型修復(fù)體系-連續(xù)碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)自監(jiān)測(cè)及損傷自修復(fù)能力。整個(gè)加載過(guò)程中連續(xù)碳纖維熱塑性材料敏感元力阻特性表現(xiàn)為典型的四階段特性:阻值線性增加階段、阻值下降階段、阻值平穩(wěn)階段和阻值急劇上升階段,分別對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及損傷修復(fù)過(guò)程監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)獲得平均修復(fù)效率為30.15±1.49%�；谏鲜鲅芯抗ぷ�,論文建立了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)感知一體化智能結(jié)構(gòu)的增材制造新方法,研究成果可為高強(qiáng)度、高可靠、智能化結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供新思路和新途徑。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

態(tài)保持不變，然后在殼體內(nèi)部增加桁架結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。采用蒙皮－桁架結(jié)構(gòu)逡逑不僅可以減少打印材料使用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，還可減少打印時(shí)間，甚至可以極大提高打逡逑印結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，如圖１．２所示。Ｗｕ等人［３１］提出一種仿生骨多孔結(jié)構(gòu)生成方法，并用逡逑于生成三維打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部支撐，可獲得高強(qiáng)度輕量化結(jié)構(gòu)。Ｑｕａｎ等人［３２］提出一種基于等效逡逑體積單元法ＲＶＥ構(gòu)建多方向高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件。Ｓｔａｖａ等人［３３］開(kāi)發(fā)出一套復(fù)雜的軟件解決方案，逡逑通過(guò)增加肋筋和內(nèi)部支撐的方法提高三維打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。Ｚｈａｏ等人［３４］提出一種基于層逡逑片深度法式圖像ＬＤＮＩｓ的復(fù)雜模型抽殼操作并在模型空腔中嵌入桁架結(jié)構(gòu)支撐獲得高強(qiáng)逡逑度輕量化結(jié)構(gòu)。Ｙｉｎｇ等人１＾１提出一種基于各向異性質(zhì)心維諾Ｖｏｒｏｎｏｉ細(xì)分結(jié)構(gòu)和２．邋５維逡逑域迭代優(yōu)化框架的各向異性多孔結(jié)構(gòu)建模算法，該方法對(duì)應(yīng)力張量場(chǎng)具有很好的適應(yīng)性，逡逑可獲得高比強(qiáng)度的三維打印結(jié)構(gòu)件。逡逑（ａ）仿生骨多孔結(jié)構(gòu)［３１］逡逑．\d＋ＩＰ邋－邋ｍＨＲ逡逑（ｂ）邋ＬＤＮＩｓ抽殼－桁架結(jié)構(gòu)［３４］逡逑ｍｍｍｍ逡逑（Ｃ）各向異性多孔結(jié)構(gòu)［３５］逡逑圖１．邋２幾種基于多孔結(jié)構(gòu)的三維打印輕量化高強(qiáng)度零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法逡逑基于增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件三維打印研究。通過(guò)在基體材料中添加增強(qiáng)體可有效改逡逑４逡逑

日本東京理科大學(xué)Ｍａｔｓｕｚａｋｉ等人［６＂開(kāi)發(fā)出一款連續(xù)纖維－熱塑性基體材料實(shí)時(shí)混合逡逑打印噴頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維和熱塑性基體材料的在機(jī)實(shí)時(shí)混合打印，該噴頭適用于多種連續(xù)逡逑纖維和基體材料的打印，如圖１．４所示。采用該打印機(jī)制造的連續(xù)碳纖維聚乳酸復(fù)合材料逡逑試件的拉伸強(qiáng)度比純聚乳酸試件提高６倍，彈性模量增加４倍多。Ｈａｕｋｅ等人［６８］設(shè)計(jì)出在逡逑原始打印頭兩側(cè)嵌入可輸送纖維絲束的噴頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印，并提出逡逑可減少支撐材料的細(xì)胞式打印模式、基于負(fù)載的打印模式和選擇性支撐模式等幾種打印模逡逑式。西安交通大學(xué)Ｙａｎｇ等人［６９］研發(fā)一種專用復(fù)合材料打印頭，結(jié)合傳統(tǒng)熔融沉積成型桌逡逑面式打印臺(tái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料打印，所打印連續(xù)纖維增強(qiáng)丙烯腈－丁二烯－苯乙逡逑烯復(fù)合材料試件拉伸強(qiáng)度比純丙烯腈－丁二烯－苯乙烯試件提高５倍多，彎曲強(qiáng)度提高２倍逡逑多。逡逑圖１．４連續(xù)纖維－熱塑性材料實(shí)時(shí)混合打印噴頭［６７］逡逑基于纖維鋪敢技術(shù)的連續(xù)纖維－基體材料三維打印相關(guān)研究。Ｍｏｒｉ和Ｎａｋａｇａｗａ等人逡逑％邋７１１提出一種連續(xù)碳纖維熱塑性材料結(jié)構(gòu)無(wú)模成型工藝，通過(guò)三維打印機(jī)打印上下兩個(gè)熱逡逑７逡逑

同軸擠出模邐擠出頭邋牽引機(jī)邋；逡逑圖１．３熔融沉積三維打印工藝的連續(xù)碳纖維熱塑性基體材料預(yù)浸料的制備與打�。郏叮叮蒎义线B續(xù)碳纖維－基體材料實(shí)時(shí)混合相關(guān)研究。將連續(xù)碳纖維與基體材料分別作為源材料逡逑提供給打印機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)混合，不需要反復(fù)熔融－固化過(guò)程，可一次獲得最終打印零部件，逡逑因此該方法具有更廣的應(yīng)用范圍，既可適合于熱塑性基體材料，也可適用于熱固性基體材逡逑料。日本東京理科大學(xué)Ｍａｔｓｕｚａｋｉ等人［６＂開(kāi)發(fā)出一款連續(xù)纖維－熱塑性基體材料實(shí)時(shí)混合逡逑打印噴頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維和熱塑性基體材料的在機(jī)實(shí)時(shí)混合打印，該噴頭適用于多種連續(xù)逡逑纖維和基體材料的打印，如圖１．４所示。采用該打印機(jī)制造的連續(xù)碳纖維聚乳酸復(fù)合材料逡逑試件的拉伸強(qiáng)度比純聚乳酸試件提高６倍，彈性模量增加４倍多。Ｈａｕｋｅ等人［６８］設(shè)計(jì)出在逡逑原始打印頭兩側(cè)嵌入可輸送纖維絲束的噴頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印，并提出逡逑可減少支撐材料的細(xì)胞式打印模式、基于負(fù)載的打印模式和選擇性支撐模式等幾種打印模逡逑式。西安交通大學(xué)Ｙａｎｇ等人［６９］研發(fā)一種專用復(fù)合材料打印頭，結(jié)合傳統(tǒng)熔融沉積成型桌逡逑面式打印臺(tái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料打印

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2820408