基于PLA丝材的FDM试件机械性能分析及优化

摘要

熔融沉积成型工艺(Fused Deposition Modeling)是快速成型制造领域应用较为广泛的一类技术，在工程零部件及医疗器械的生产方面发挥着重要的作用。FDM工艺的成型精度一直是此项技术的研究热点，而成型件机械性能的研究相对较少。随着新型材料的不断出现，以及工程实际的使用要求不断增多，更多的用户开始关注成型件的机械性能。改善成型件的粘结强度，提高其机械性能，成为熔融沉积成型工艺，乃至快速成型领域的研究重点。
　　本文首先从微观层面入手，结合新型聚乳酸(PLA)材料的固有特性，对液晶态高分子聚合物丝材的粘结机理进行了阐述，并根据热焊接原理推导出丝材粘结强度的理论模型以及单片固化层的应力—应变关系公式，为后续的成型件机械性能的分析研究提供有益的理论依据。
　　根据成型方向，成型温度，分层厚度，轮廓宽度，填充线宽，以及填充速度等工艺影响因素的不同，设置三组实验参数，加工135个试件。通过显微图像观测与拉伸试验相结合的方法，分别对试件的抗拉极限强度、杨氏模量以及拉伸应变进行分析和比较，得出了影响成型件机械性能的本质原因，同时为PLA材料在快速成型领域的应用提供了有效的数据参考。分析试验结果后得出，在XZY成型方向，当成型温度为210℃时试件的机械性能优于其他参数下的成型试件，但上述工艺参数对机械性能的具体影响程度仍有待分析。
　　为了进一步分析分层厚度，轮廓宽度，填充线宽，以及填充速度对机械性能的影响程度，对上述四个参数进行了多指标综合优化。根据正交实验法设计九组拉伸试验，将抗拉极限强度、杨氏模量及拉伸应变的提高量作为综合优化目标。通过对试验结果进行灰关联分析，得到了综合工艺指标影响参数的主次顺序，以及多目标最佳工艺参数的优化组合方案;此外，利用Fuzzy模糊推理法对结果数据做进一步的分析，比较分析结果，得出了两种分析方法的主要区别。最后通过验证试验，证明利用模糊推理法得出的结果更具实用性和有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 快速成型技术概论

1．2．1 快速成型技术的基本原理及工艺步骤

1．2．2 快速成型技术的特点

1．2．3 快速成型工艺的分类

1．2．4 快速成型技术的应用及选用原则

1．3 熔融沉积成型技术

1．3．1 熔融沉积成型技术简介

1．3．2 国内外FDM技术的研究进展

1．4 本课题的研究意义及本文的主要工作

2 FDM成型丝材粘结强度及应力分析

2．1 FDM成型丝材粘结理论

2．1．1 PLA丝材特性

2．1．2 FDM丝材粘结机理

2．1．3 丝材粘结强度

2．2 FDM成型件的层内应力分析

2．2．1 固化单元的应力—应变状态

2．2．2 固化层的弹性特性及强度理论

2．2．3 整体零件的内力—应变关系

2．3 FDM成型件的层间应力分析

2．3．1 FDM成型件分层破坏力学模型及其应力分析

2．3．2 FDM零件分层破坏后的刚度

2．4 本章小结

3 工艺参数值修改对提高FDM成型件机械性能的试验分析

3．1 影响FDM成型件机械性能的工艺参数

3．1．1 相关工艺参数定义

3．1．2 各类参数对机械性能的影响研究

3．2 试验规划及显微观察

3．2．1 试验设备

3．2．2 实验方案拟定

3．2．3 试件微观结构比对

3．3 试验结果分析

3．3．1 抗拉极限强度分析

3．3．2 杨氏模量分析

3．3．3 拉伸应变分析

3．4 本章小结

4 FDM成型件机械性能的多参数综合优化

4．1 试验方法设计

4．1．1 试验方案拟定

4．1．2 试验设计

4．2 基于灰色关联度的多目标参数优化

4．2．1 灰关联度分析理论

4．2．2 灰关联度分析确定最优参数组合

4．3 基于模糊推理的多目标参数优化

4．3．1 模糊推理理论

4．3．2 模糊推理分析确定最优参数组合

4．3．3 多目标综合优化方法比较分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢