連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)越的機(jī)械性能以及良好的可設(shè)計(jì)性,在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛。3D打印具有不依賴于模具制造、成型自由等優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于復(fù)合材料成型有望實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成型。針對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù),本文開展了對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印裝置和打印基礎(chǔ)工藝的研究,設(shè)計(jì)了用于連續(xù)纖維復(fù)合材料的打印噴頭,進(jìn)行了連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印基礎(chǔ)工藝實(shí)驗(yàn),仿真分析了纖維打印路徑對(duì)制件力學(xué)性能的影響,旨在提高3D打印復(fù)合材料制件的質(zhì)量,對(duì)探索連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。首先,對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印噴頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)熔融沉積成型工藝原理,設(shè)計(jì)了3D打印噴頭。利用有限元分析軟件,對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真和流場(chǎng)仿真分析,依據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)打印噴頭結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,對(duì)連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印過程進(jìn)行了仿真分析,從理論上驗(yàn)證了連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印制造的可行性。其次,設(shè)計(jì)了連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印裝置和連續(xù)纖維預(yù)浸裝置。對(duì)打印裝置的整體框架、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選型,并對(duì)安裝調(diào)試后的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印裝置進(jìn)行了打印基礎(chǔ)工藝... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

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哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文4工藝（FDM）以噴嘴內(nèi)部浸漬連續(xù)纖維的方式，設(shè)計(jì)并制造了連續(xù)纖維復(fù)合材料（CFRTPCs）3D打印噴頭，如圖1-3所示，利用該設(shè)備分別打印了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸（PLA）復(fù)合材料試件和連續(xù)黃麻纖維增強(qiáng)聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的試件，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料3D打印制件能夠顯著提高熱塑性樹脂材料的機(jī)械性能。圖1-4所示為掃描電子顯微鏡觀察得到的斷裂表面，橫截面有空隙而且纖維從樹脂中拉出，表明纖維和樹脂材料結(jié)合性差，需要進(jìn)一步處理纖維表面，以獲得更好的纖維和樹脂界面結(jié)合性能。a)連續(xù)纖維3D打印示意b)連續(xù)纖維3D打印過程圖1-3基于FDM噴嘴內(nèi)浸漬制造CFRTPCs3D打印噴頭圖1-4掃描電子顯微鏡下試件的斷裂表面MasaoYamawaki等[18]開發(fā)了一種配備適合連續(xù)碳纖維預(yù)浸絲束（C-CFRTP）材料的新型噴頭結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，其打印噴頭示意如圖1-5所示，并對(duì)合適的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)比了50%纖維含量的制件經(jīng)熱壓處理前后的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)拉伸測(cè)試結(jié)果，制件經(jīng)熱壓處理后的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量相對(duì)處理前分別增加了700MPa和37GPa，表明熱壓處理能顯著提高打印制件的力學(xué)性能。Ken-ichiroMori等[19]對(duì)比了純樹脂和碳纖維增強(qiáng)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸斷裂性能，測(cè)試結(jié)果表明，通過在3D打印拉伸樣件中設(shè)計(jì)與力加載方向成45°夾角的打印路徑，能夠有效地阻止拉伸樣件中的裂紋擴(kuò)展。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文4工藝（FDM）以噴嘴內(nèi)部浸漬連續(xù)纖維的方式，設(shè)計(jì)并制造了連續(xù)纖維復(fù)合材料（CFRTPCs）3D打印噴頭，如圖1-3所示，利用該設(shè)備分別打印了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸（PLA）復(fù)合材料試件和連續(xù)黃麻纖維增強(qiáng)聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的試件，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料3D打印制件能夠顯著提高熱塑性樹脂材料的機(jī)械性能。圖1-4所示為掃描電子顯微鏡觀察得到的斷裂表面，橫截面有空隙而且纖維從樹脂中拉出，表明纖維和樹脂材料結(jié)合性差，需要進(jìn)一步處理纖維表面，以獲得更好的纖維和樹脂界面結(jié)合性能。a)連續(xù)纖維3D打印示意b)連續(xù)纖維3D打印過程圖1-3基于FDM噴嘴內(nèi)浸漬制造CFRTPCs3D打印噴頭圖1-4掃描電子顯微鏡下試件的斷裂表面MasaoYamawaki等[18]開發(fā)了一種配備適合連續(xù)碳纖維預(yù)浸絲束（C-CFRTP）材料的新型噴頭結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，其打印噴頭示意如圖1-5所示，并對(duì)合適的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)比了50%纖維含量的制件經(jīng)熱壓處理前后的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)拉伸測(cè)試結(jié)果，制件經(jīng)熱壓處理后的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量相對(duì)處理前分別增加了700MPa和37GPa，表明熱壓處理能顯著提高打印制件的力學(xué)性能。Ken-ichiroMori等[19]對(duì)比了純樹脂和碳纖維增強(qiáng)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸斷裂性能，測(cè)試結(jié)果表明，通過在3D打印拉伸樣件中設(shè)計(jì)與力加載方向成45°夾角的打印路徑，能夠有效地阻止拉伸樣件中的裂紋擴(kuò)展。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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