連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)越的機械性能以及良好的可設(shè)計性,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,將其應(yīng)用于復(fù)合材料成型有望實現(xiàn)輕質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成型。針對連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù),本文開展了對連續(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)計了用于連續(xù)纖維復(fù)合材料的打印噴頭,進行了連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印基礎(chǔ)工藝實驗,仿真分析了纖維打印路徑對制件力學(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,對連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印噴頭進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)熔融沉積成型工藝原理,設(shè)計了3D打印噴頭。利用有限元分析軟件,對其進行溫度場仿真和流場仿真分析,依據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)打印噴頭結(jié)構(gòu)形式改進和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,對連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印過程進行了仿真分析,從理論上驗證了連續(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。對打印裝置的整體框架、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)進行了設(shè)計與選型,并對安裝調(diào)試后的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印裝置進行了打印基礎(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)碳纖維增強聚乳酸（PLA）復(fù)合材料試件和連續(xù)黃麻纖維增強聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的試件，并對其力學(xué)性能進行了測試。測試結(jié)果表明連續(xù)碳纖維增強聚乳酸復(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，其打印噴頭示意如圖1-5所示，并對合適的工藝參數(shù)進行了研究。對比了50%纖維含量的制件經(jīng)熱壓處理前后的拉伸強度，根據(jù)拉伸測試結(jié)果，制件經(jīng)熱壓處理后的拉伸強度和楊氏模量相對處理前分別增加了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]對比了純樹脂和碳纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸斷裂性能，測試結(jié)果表明，通過在3D打印拉伸樣件中設(shè)計與力加載方向成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)碳纖維增強聚乳酸（PLA）復(fù)合材料試件和連續(xù)黃麻纖維增強聚乳酸（PLA）復(fù)合材料的試件，并對其力學(xué)性能進行了測試。測試結(jié)果表明連續(xù)碳纖維增強聚乳酸復(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，其打印噴頭示意如圖1-5所示，并對合適的工藝參數(shù)進行了研究。對比了50%纖維含量的制件經(jīng)熱壓處理前后的拉伸強度，根據(jù)拉伸測試結(jié)果，制件經(jīng)熱壓處理后的拉伸強度和楊氏模量相對處理前分別增加了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]對比了純樹脂和碳纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸斷裂性能，測試結(jié)果表明，通過在3D打印拉伸樣件中設(shè)計與力加載方向成45°夾角的打印路徑，能夠有效地阻止拉伸樣件中的裂紋擴展。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]連續(xù)亞麻纖維增強聚乳酸預(yù)浸帶的制備及性能[J]. 劉常衡,朱凱麗,譚洪生,馬曉敏,王杰,邢海妮,鄭利杭,李秋紅.  高分子材料科學(xué)與工程. 2020(02)
[2]3D打印連續(xù)芳綸纖維/聚乳酸波紋夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能研究[J]. 劉良強,肖學(xué)良,董科,錢坤,周紅濤.  塑料工業(yè). 2020(01)
[3]3D打印連續(xù)芳綸纖維增強聚乳酸復(fù)合材料的拉伸性能研究[J]. 劉良強,肖學(xué)良,董科,錢坤,周紅濤.  塑料工業(yè). 2019(12)
[4]連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印的成型工藝研究[J]. 張帆,譚躍剛,馬國鋒,張俊.  機械設(shè)計與制造. 2019(07)
[5]3D打印技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 侯良衡.  電子制作. 2019(12)
[6]3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料彎曲性能研究[J]. 胡家榮.  塑料科技. 2019(11)
[7]纖維增強樹脂復(fù)合材料3D打印流場分析與仿真[J]. 黃無云,程軍,劉益劍,楊繼全,朱小剛,劉正武,喬鳳斌.  塑料. 2019(02)
[8]連續(xù)碳纖維增強聚乳酸復(fù)合材料3D打印及回收再利用機理與性能[J]. 劉騰飛,田小永,朱偉軍,李滌塵.  機械工程學(xué)報. 2019(07)
[9]基于同步改性浸漬的碳纖維增強樹脂復(fù)合材料三維打印工藝研究[J]. 朱小剛,劉正武,喬鳳斌,韓寧達,程軍,楊繼全,李宗安.  南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版). 2019(01)
[10]高性能纖維增強樹脂基復(fù)合材料3D打印[J]. 明越科,段玉崗,王奔,肖鴻,張小輝.  航空制造技術(shù). 2019(04)

碩士論文
[1]碳纖維增強形狀記憶聚合物3D打印兼賦形的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 王冰冰.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[2]纖維增強復(fù)合材料超聲輔助增材制造技術(shù)研究[D]. 李英睿.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[3]纖維增強復(fù)合材料增材制造技術(shù)研究[D]. 夏正付.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[4]碳纖維長纖復(fù)合材料3D打印的成型工藝及其打印系統(tǒng)[D]. 馬國鋒.武漢理工大學(xué) 2017
[5]連續(xù)碳纖維熱塑性預(yù)浸帶的制備機理及實驗研究[D]. 李華宙.華南理工大學(xué) 2015



本文編號：3111239