熔融沉积快速成型系统的微型螺杆挤出式双喷头设计与研究

摘要

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，以下简称FDM）是一种使用比较普遍的快速成型技术。成型过程中，材料在喷头中被加热熔化，并以一定的压力挤出。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料，与前一层粘结在一起。逐层叠加，直至原型零件完成。在制造悬臂件时需要添加支撑料，完成制品后再进行后剥离支撑料。可以使用成型料作为支撑料进行成型，此时只需要一个喷头；又可以使用双喷头，两个喷头分别独立挤出成型料和支撑料。
　　 本文针对了目前熔融沉积快速成型喷头专利文献中的喷头结构设计，通过对比分析找出这些喷头设计的优缺点，提出了熔融沉积快速成型系统的微型螺杆挤出式双喷头设计与研究的课题。
　　 首先，第一章对快速成型技术，特别是熔融沉积成型技术的工艺进行了分析，然后在第二章对国内外专利喷头结构及工作原理进行了分析，提出了双喷头的设计构想、工作原理与特色，并对实验型喷头的设计进行了构想。第三章是论文的核心内容，利用相关经验公式、参考相关系列化原件（包括加热器、加热套、热电偶等）的尺寸、在Pro/E环境下进行双喷头的设计，即包括螺杆、机筒、喷嘴、自动升降机构等主要机构的设计。第四章中详细地对螺杆式挤出喷头中微型螺杆的挤出特性进行研究，阐述了螺杆转速、螺杆的主要几何参数、螺杆与机筒间隙以及喷嘴压力等参数与挤出流率的定量关系，从而为日后在螺杆式挤出喷头的设计方面提供理论的指导。接着第五章中，调试了实验双喷头，并对其的挤出能力进行实验。从实验结果可以看出温度越高，螺杆的转动越顺利，挤出能力越好；转速越高，挤出能力越好；提高的转速必须相应提升挤出机筒的温度，否则螺杆不能连续旋转。然后作者将实验结果跟理论推导的结果进行了比较，并对于实际挤出能力明显低于理论结果这一现象进行了理论分析。最后针对双喷头加工工艺和机械结构，对改进双喷头挤出能力提出了部分建议与措施。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 概述

1.1 快速成型的原理与分类

1.1.1 快速成型的原理

1.1.2 快速成型技术在模具行业中的应用

1.1.3 快速成型的分类

1.2 熔融沉积快速成型工艺及材料

1.2.1 熔融沉积成型工艺

1.2.2 熔融沉积成型的材料

1.3 熔融沉积快速成型国内外发展及现状

1.4 熔融沉积快速成型系统喷头应用现状分析

1.4.1 柱塞式喷头

1.4.2 螺杆式喷头

1.4.3 螺杆式挤出塑化双喷头

1.5 熔融沉积快速成型用喷头的发展趋势

1.6 选题的背景、内容及意义

1.6.1 选题的背景

1.6.2 课题研究的内容

1.6.3 研究的意义

1.7 本章小结

第二章 熔融沉积快速成型喷头设计思想

2.1 国内外专利喷头结构及工作原理分析

2.1.1 进料装置

2.1.2 塑化装置

2.1.3 喷嘴结构

2.1.4 双喷头

2.2 喷头的设计构想、工作原理与特色

2.2.1 喷头的设计构想及工作原理

2.2.2 实验型喷头设计的构想及工作原理

2.2.3 本设计喷头的特色

2.3 本章小结

第三章 熔融沉积快速成型的微型螺杆挤出式双喷头设计

3.1 机筒设计

3.1.1 加料口的设计

3.1.2 机筒的壁厚

3.1.3 机筒与螺杆的配合间隙

3.1.4 螺杆挤出机筒的特殊设计

3.2 螺杆设计

3.2.1 螺杆结构

3.2.2 螺杆参数

3.3 喷嘴设计

3.3.1 喷嘴口径

3.3.2 喷嘴结构形式

3.4 喷嘴自动升降机构设计

3.4.1 底板的设计

3.4.2 杠杆及杠杆芯的设计

3.5 加热器的功率计算及选用

3.5.1 加热器的功率计算

3.5.2 加热器的选用

3.6 电机及驱动器的选用

3.7 本章小结

第四章 螺杆式挤出喷头中微型螺杆的挤出特性研究

4.1 微型螺杆式挤出喷头结构的简化模型

4.2 喷头的挤出流率与相关参数的关系研究

4.2.1 挤出流率的基本方程推导

4.2.2 挤出流率与相关参数的关系

4.3 微型挤出喷头的综合工作点

4.3.1 微型螺杆的特征曲线

4.3.2 喷嘴的特征曲线

4.4 影响喷头挤出流率的主要因素

4.4.1 微型螺杆的几何尺寸与挤出流率的关系

4.4.2 螺杆转速与挤出流率的关系

4.4.3 螺棱和机筒之间间隙与挤出流率的关系

4.4.4 喷嘴压力与挤出流率的关系

4.5 本章小结

第五章 微型螺杆挤出式双喷头挤出特性的实验研究

5.1 实验装置

5.1.1 控制系统

5.1.2 机械装置

5.2 双喷头挤出实验方案

5.3 双喷头调试及实验

5.3.1 双喷头的开机调试

5.3.2 挤出能力相关实验

5.4 实验数据分析

5.4.1 挤出能力

5.4.2 挤出胀大

5.4.3 鲨鱼皮与熔体破裂

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究的不足及展望

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢