尼龙12/石灰石复合材料激光烧结关键技术研究

摘要

激光烧结作为增材制造技术中的一种，因其独特的分层叠加制造原理以及原材料选择广泛的优点正逐渐向新的应用领域扩展。为了使该技术更具有竞争力，在新的应用领域能够成为强有力的候选者，同时顺应全球范围高效节能、低碳环保的可持续型发展要求，降低材料成本，开发新的用于激光烧结技术的原材料势在必行。本论文以降低尼龙12激光烧结加工成本、能量消耗及环境影响为出发点，研究开发一种用于激光烧结技术的新型的具有低成本、低碳环保、高效节能、高成形精度以及良好的机械性能等优点的可持续型尼龙12/石灰石复合材料，使得激光烧结可制造石质艺术装饰品。该材料由已广泛商业化应用的尼龙12作为基体，以天然石灰石作为无机填料，共混制得。
　　通过材料设计方法，首先对比材料的相关物理性质，以CaCO3为主要成分的石灰石粉末内涵能仅为尼龙12的0.6％，热传导系数约为尼龙12的10倍左右，加之天然石灰石价格便宜，且加工过程CO2排放为0.0147～0.0163 kg/kg与尼龙12相差102个数量级，进而论证将石灰石作为结构材料与尼龙12共混制得尼龙12/石灰石复合材料，以满足降低尼龙12激光烧结加工成本及能量消耗，并且减少环境影响的可行性。随后采用单层烧结的实验方法对于不同混合比例的尼龙12/石灰石复合材料进行激光烧结可行性实验研究，以高效快捷的方式确定石灰石填料的最大混合体积比，以期最大程度降低原材料成本，减少能量消耗及CO2排放量。初步研究粉床温度对于激光功率选择及烧结区域变形的影响，同时对该混合比例的尼龙12/石灰石复合材料进行微观形貌表征，并通过DSC及热传导系数测试，研究尼龙12/石灰石复合材料熔融结晶过程及热传导系数变化规律，研究石灰石的加入对整个材料体系的结晶温度以及热传导系数的影响规律，为后文研究尼龙12/石灰石烧结件性能提供了一定的理论基础。
　　增材制造完全区别于传统制造，因此制造方式的改变也带来了机械设计理念的变革，催生了新的面向增材制造的设计方法。探讨其在机械设计领域的优势，并基于该方法进行具有复杂结构、薄壁、微孔、小配合间隙以及丰富细节的模型设计，以此检验尼龙12/石灰石复合材料用于激光烧结的成形性能。
　　通过实验设计方法，选取激光功率、扫描速度、预热温度3个主要加工工艺参数进行2水平3因素实验设计，确定影响成形件性能的主要因素以及可用于后续研究能量输入对于制件性能影响的数值选择区间。随后进行艺术展示模型和性能测试件的激光烧结加工。通过机械性能测试研究加工工艺对于制件性能的影响规律，获得变化曲线。研究尼龙12/石灰石烧结件机械性能达到最佳时的工艺参数。同时尼龙12/石灰石烧结件平均拉伸强度达到了固体石灰石的最低拉伸强度，高于WPC及RPC制件拉伸强度。通过尺寸测量，对比研究制件在X、Y、Z三个方向上的成形精度均优于纯尼龙12。
　　分析探讨石灰石对于尼龙12基体成形性能的影响，理论上石灰石填料对于尼龙12的增强方式为无取向增强方式，并在此基础上研究石灰石与尼龙12颗粒间的相互作用机理以及激光烧结结合机理，同时结合尼龙12/石灰石复合材料烧结前后的红外光谱对比以及扫描电镜微观形貌分析，研究确定了石灰石与尼龙12颗粒间的相互作用及界面结合机理主要为机械互锁的结合形式。通过对尼龙12/石灰石烧结件微观结构进行表征，研究不同激光功率及粉床温度对于制件微观结构的影响，进而从微观的角度验证该工艺参数对于制件宏观机械性能的影响。
　　研究石灰石含量对于尼龙12/石灰石复合材料热传导性能的影响。随着石灰石含量的不断增加，高导热系数的石灰石小颗粒越来越多地替换了尼龙12颗粒间的低导热系数空气，同时增加了颗粒之间的接触面积，因此使得整个材料体系热传导性能逐渐上升。研究了石灰石含量对于尼龙12/石灰石烧结件密度及外观颜色的影响规律。另外，通过扫描电镜对不同石灰石含量尼龙12/石灰石复合材料在不同激光功率下的制件进行微观形貌表征，研究微观结构的变化规律，从而以微观的角度解释激光功率及石灰石含量对于制件机械性能的影响。最后，定量分析激光烧结可持续型尼龙12/石灰石复合材料及纯尼龙12粉末能量消耗、CO2排放及成本，突显可持续型尼龙12/石灰石复合材料作为激光烧结技术原材料的优势。

目录

摘要

1 绪论

1．1 激光烧结技术

1．1．1 增材制造的概念和重要意义

1．1．2 激光烧结的特点和优势

1．1．3 激光烧结技术的发展历程

1．2 激光烧结材料的研究现状

1．2．1 金属类和陶瓷类材料研究进展

1．2．2 聚合物类材料研究进展

1．2．3 目前已经商业化的激光烧结材料

1．3 可持续性材料

1．3．1 可持续性材料的内涵

1．3．2 可持续性材料在增材制造中应用的可行性

1．4 面向增材制造的零件设计方法

1．4．1 增材制造对传统零件设计的突破

1．4．2 增材制造技术加工复杂结构模型的独特优势

1．5 课题的来源和主要研究内容

1．5．1 课题的来源

1．5．2 研究的目的和意义

1．5．3 研究内容

2 激光烧结尼龙12／石灰石复合材料设计及性能研究

2．1 尼龙12／石灰石复合材料设计的理论依据

2．1．1 尼龙12／石灰石复合材料烧结颈形成及应力分析

2．1．2 用于激光烧结的尼龙12／石灰石材料的设计原则

2．1．3 材料成分的选取和尺度确定

2．2 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结可行性实验

2．2．1 主要组份的成形性能分析

2．2．2 单层烧结验证成形性能的方法

2．2．3 烧结过程粉床温度敏感缺陷分析

2．3 尼龙12／石灰石复合材料熔融结晶性能研究

2．3．1 尼龙12／石灰石复合材料颗粒形貌特征分析

2．3．2 尼龙12／石灰石复合材料组份对熔融结晶性能影响研究

2．4 尼龙12／石灰石复合材料热传导性能研究

2．4．1 导热性能测试系统的构建

2．4．2 粉末材料热传导系数对成形性能影响的研究

2．5 本章小结

3 面向AM的模型设计及尼龙12／石灰石复合材料激光烧结工艺研究

3．1 面向AM的模型设计

3．1．1 面向AM的模型设计原则

3．1．2 应用尼龙12／石灰石复合材料的AM设计示例

3．2 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结工艺研究

3．2．1 烧结实验设备

3．2．2 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结工艺参数研究

3．2．3 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结工艺实验设计

3．2．4 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结工艺参数选择及优化

3．3 激光烧结工艺参数对尼龙12／石灰石烧结件性能影响研究

3．3．1 激光烧结工艺参数对尼龙12／石灰石烧结件成形精度的影响

3．3．2 激光烧结工艺参数对尼龙12／石灰石烧结件密度的影响

3．3．3 激光烧结工艺参数对尼龙12／石灰石烧结件机械性能的影响

3．4 本章小结

4 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结过程及微观界面结合机理研究

4．1 激光与尼龙12／石灰石复合材料相互作用分析

4．1．1 激光能量与尼龙12／石灰石复合材料颗粒作用机理

4．1．2 尼龙12／石灰石复合材料导热性能分析

4．2 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结机理

4．2．1 固相烧结阶段

4．2．2 融化阶段

4．2．3 液相烧结阶段

4．3 尼龙12／石灰石复合材料烧结件微观形貌与界面结合力分析

4．3．1 尼龙12／石灰石复合材料烧结件微观形貌表征

4．3．2 尼龙12／石灰石复合材料烧结件微观界面结合力分析

4．4 填加石灰石粉末对尼龙12成形性能影响机理探讨

4．5 尼龙12／年灰石复合材料烧结微观结合机理研究

4．5．1 尼龙12／石灰石复合材料颗粒间相互作用分析

4．5．2 尼龙12／石灰石复合材料红外光谱分析

4．5．3 尼龙12／不i灰石复合材料微观界面结合机理

4．6 本章小结

5 组份比例对尼龙12／石灰石复合材料及烧结件性能影响规律研究

5．1 组份比例对尼龙12／石灰石复合材料热传导性能的影响

5．2 组份比例对尼龙12／石灰石烧结件机械性能的影响规律

5．3 组份比例对尼龙12／石灰石烧结件密度及制件颜色的影响

5．3．1 组份比例对尼龙12／石灰石烧结件密度的影响

5．3．2 组份比例对尼龙12／石灰石烧结件颜色的影响

5．4 组份比例对尼龙12／石灰石烧结件微观结构的影响

5．5 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结可持续性评估

5．5．1 尼龙12／石灰石复合材料制备过程能量消耗评估

5．5．2 尼龙12／石灰石复合材料激光烧结过程能量消耗评估

5．5．3 组份比例对尼龙12／石灰石复合材料激光烧结可持续性影响评估

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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