1、分类号 密级 UDC 全日制硕士专业学位研究生学位论文面向熔融沉积的竹塑材料及工艺的关键技术研究作 者 姓 名：指 导 教 师： 教授专业学位名称： 农业推广硕士领 域 名 称： 农业机械化研 究 方 向： 农业电气化工程所 在 学 院： 工程学院论文提交日期： 年 月浙 江 农 林 大 学年 月 日摘要I摘要近两年来，3D 打印引领的科技浪潮正在席卷全球，熔融沉积工艺作为 3D 打印最常用的技术之一，备受关注。材料种类的缺失一直是此种工艺的首要问题，因而结合熔融沉积工艺、打印应用方向和学校所处地理环境背景研发了一款以热熔型聚乳酸为基料，竹粉为填充料的环保打印材料，并进行了应用分析。首先，本文
2、对材料及成型原理进行了分析，确定了分步混合的制备方式，并通过工厂的实际生产加以验证。同时还研究了各类添加助剂的添加量对材料成型的影响，确定了聚乳酸、竹粉、聚乙二醇与合成植物酯的最佳配比，达到了理想效果。此材料的使用方法与传统聚乳酸材料相同，且在打印时会产生类似木纹的纹理。其次，根据材料性能对喷头结构及材料流动性的要求进行了理论性分析，并通过 ANSYS 有限元仿真得到材料在熔腔中流动的特性图像，阐明了熔体在喷嘴中的形态变化。此外，根据实际应用情况对 3D 打印参数进行建模，建立了打印工艺参数模型，得到打印机参数与成型件成型精度间的数学关系，并对新材料进行了参数的调整和试验，结果证明此模型对于打
3、印的成型质量具有指导和优化作用。最后，根据加工工艺与材料特征选择以打印沙盘地形作为此种材料的应用方向。本文从谷歌地球上抓取地图模型，通过 Sketch up、Geomagic 等相关三维软件进行特定处理后生成打印机支持的模型格式，打印成品质量和外观均能满足应用需求。关键词：3D 打印技术；FDM；竹塑复合材料；熔体分析；地形导出与处理ABSTRACTIIABSTRACTScience and technology of 3D printing have been swept the world in recent two years. Fused deposition modeling rec
4、eives much concern as one of the most common techniques, and its first problem is deletion of material type. Therefore, based on the background of fused deposition modeling, application direction of printing and geographical environment of my school, environmental protection printing material, inclu
5、ding polylactic acid with hot melt as base material, bamboo powder as filler were developed and application analyzed. Firstly, the material and forming principle are analyzed, and prepared methods with fractional bulk are determined, which are verified by practical production of industry in the pape
6、r. The effect of addition of different kinds of adding agents on material forming was researched, and determine the best ratio. The using method of the material is same as that of traditional polylactic acid, and its texture similar to grain is produced when printing.Secondly, according to the mater
7、ial properties requirements for the structure of nozzle and the fluidity of material, theoretical analysis are detailed in the paper, get characteristics image and clarify the shape change when material flow in the nozzle by ANSYS finite element simulation. In addition, establish the printing proces
8、s parameters model according to the practical application of 3D printing parameters, get the relationship between the parameters and the accuracy of the forming parts. The results show that the model can be used to guide and optimize the molding quality.Finally, according to the processing technolog
9、y and materials characteristic, the sandbox terrain features as the application direction of such materials are printed.In this paper, generate the model format by 3D software just like Sketch up or Geomagic from the Google earth, then related. The product quality and appearance can meet the applica
10、tion requirements.Key words: 3D printing；FDM；bamboo plastic ；melt Analysis；terrain export and processing目录III目 录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 快速成型技术概述 .11.2.1 快速成型技术发展现状 .11.2.2 快速成型技术原理 .21.2.3 快速成型技术分类 .31.3 熔融沉积工艺概述 .41.3.1 熔融沉积工艺发展历程 .41.3.2 熔融沉积工艺原理 .51.3.3 熔融沉积工艺特点 .51.3.4 熔融沉积工艺及设备研究
11、现状 .51.4 FDM 打印材料研究现状 .61.5 竹塑复合材料国内外研究进展 .81.5.1 竹塑复合材料概述 .81.5.2 竹塑复合材料国内外研究进展 .81.6 本课题研究的目的和内容 .91.6.1 课题的研究内容 .91.6.2 课题的研究意义 .102 用于 FDM 的竹塑材料研发 .122.1 引言 .122.2 竹塑复合材料制备 .122.2.1 原料选择 .122.2.2 原料配方与预处理 .142.2.3 制备工艺 .152.2.4 仪器与设备 .162.2.5 竹塑复合材料的制备 .172.3 加工助剂对竹塑复合材料材料成型的影响 .222.3.1 润滑剂对材料成型
12、的影响 .222.3.2 增塑剂对材料成型的影响 .232.4 结果与讨论 .26目录IV2.5 本章小结 .283 FDM 喷头结构与熔体流变性分析 .303.1 引言 .303.2 FDM 喷头结构分析 .303.3 熔体的流动性分析 .313.4 有限元流场分析 .333.3.1 有限元模型建立 .333.3.2 结果及分析 .363.5 本章小结 .384 熔融沉积工艺参数优化 .394.1 引言 .394.2 打印机参数影响概述 .394.3 打印工艺模型建立 .414.4 模型分析 .434.5 试验件设计 .454.6 打印机参数调整与结果分析 .464.7 竹塑复合材料 3D
13、打印工艺参数调整 .474.8 本章小结 .485 新材料应用研究 .495.1 引言 .495.2 地形三维模型建立 .495.3 高程地形图地形导出 .505.4 Google Earth 地形制作 .515.5 本章小结 .516 总结与展望 .526.1 总结 .526.2 展望 .52参考文献 .53个人简介 .57致谢 .581 绪论11 绪论1.1 研究背景快速成型技术又称为快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing, RPM)是在二十世纪八十年代后期逐步发展起来的一种与传统等材和减材制造截然不同的增材制造工艺。目前，快速成型技术发展迅速，材料领
14、域的进展却相对缓慢 1。相对于传统的切削加工工艺，适用于快速成型工艺的材料种类较为有限，已经无法满足家用和工业的生产需求。目前，适用于家庭 3D 打印的材料主要有石膏、树脂、塑料等几种，另有 10 余种满足工业 3D 打印需要的材料，主要为特殊金属粉末材料 2，这些材料一般不适合于家用 3D 打印。显然，适用材料的缺乏已经成为 3D 打印技术进一步发展的瓶颈，尤其在庞大的家用市场领域。随着绿色环保成为 21 世纪产业发展的大趋势和主旋律，国务院提出了加快发展低碳经济和绿色经济， 国家“十一五”科学技术发展规划将“绿色制造关键技术与装备”作为国家科技支撑计划重大项目。这些政策旨在使国民经济发展的
15、同时减少对资源，尤其是不可再生资源的浪费，提高资源的利用效率 3。木塑复合材料是近年快速发展起来的一种符合绿色环保潮流的材料，具有环保可回收的特点，在保证塑料防蛀防霉的特性上，又具有独特的木质感。竹塑复合材料作为木塑复合材料的一种衍生产品，其主要以竹纤维为增强材料，以树脂为基体 4，其中，增强纤维为主要受力组成，树脂的作用是将整个纤维粘成一个整体，以避免应力集中，同时又起到抗化学腐蚀的作用。由于竹塑复合材料可以满足支撑力要求，而结构、材料和性能优于木材和胶合板，因此在近些年得以快速发展，并被广泛应用于包装、运输和家装等领域 5。竹塑复合材料另一个优势是竹资源丰富，且成本低。从临安乃至中国大范围
16、来看，竹子产业一直属于地域特色产业，临安被誉为“中国竹子之乡” ，故发展竹塑复合材料，对于竹产业地区经济发展具有重要的意义。目前，国内外关于采用竹塑复合材料进行 3D 打印的相关研究还很少，在上述背景下，本文有机地将方兴未艾的 3D 打印技术与绿色环保的竹塑复合材料联系在一起，研究了面向 3D 打印的竹塑复合材料及其制备工艺。1.2 快速成型技术概述1.2.1 快速成型技术发展现状2012 年 4 月，英国杂志经济学人发表了一份关于数字化革命的专题报告，报告称，全球行业正在经历第三次工业革命，不同于过去，此次工业革命对制造业的发面向 3D 打印的竹塑材料及装置的关键技术研究2展将有极大的影响，
17、其中具有代表性的技术就是 3D 打印(3D printing)技术 6。现在一般俗称的 3D 打印技术在发展初期一般指 3DP(Three-Dimensional Printing)工艺 7，但随着时代发展，3D 打印已基本成为快速成型技术的一个代名词。它是一种数字模型作为基础，通过逐层打印来构建物体的打印技术 8。3D 打印机的核心是集机械、控制、计算机技术为一体的复杂机电系统，由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。打印材料、打印设计和控制软件也是 3D 打印系统的重要技术组成部分 9。2014 年，全球 3D 打印市场的产业规模大约为 70 亿美元，其中，欧洲约 17
18、 亿美元，美国约 28 亿美元，中国约 7 亿美元。根据统计，面向工业领域的 3D 打印机设备总台数中，美国占 38%，位居第一，其次是日本占 9.7%，第三位德国占9.4%，第四位中国占 8.7%10。从产业规模上看，3D 打印领域并不大，但其增长速度非常快，2014 年相比上一年几乎增长了一倍，可能对未来的发展非常重要，因为它与传统小企业发展迅速后迎来瓶颈期这样的趋势是完全不同的。随着 3D 打印在全球范围的快速普及，人们已经不再将其视为媒体炒作的 “万能制造机” ，甚至有专家学者提出了另一个较为极端的“3D 打印无用论” ，但总体上，人们对 3D 打印的认知已逐渐趋向于理性化。现在 3D
19、 打印业内的普遍认知为：3D打印不是一种新的可以替代传统工艺的制造工艺，而是对传统工艺的有力补充，且在未来将发挥更大的作用。产生这种观点的原因在于 3D 打印在打印单件物品时耗时过长，但也的确克服了传统加工制造业的多方面的难题，包括：形状复杂性，几乎任意程度的复杂形状；材料复杂性，全彩色、异质材料、功能梯度材料；层次复杂性，多尺度( 宏、介、微观)工艺结构；功能复杂性，整体成型，简化甚至取消装配。1.2.2 快速成型技术原理快速成型技术又称为快速原型制造，快速成型技术集成了包括现代 CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术，并以此为基础发展起来的 11。不同
20、种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也略有差异。但是，其基本原理都是一样的，即“分层制造，逐层叠加” ，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机” ，成型工艺大致可以分为五个步骤：(1)三维造型：应用三维设计软件进行三维造型，常用的三维设计软件有：Pro/Engineer，Solidworks，3ds Max 等。通过不同软件可以绘制不同领域的模型，这些模型都可用于 3D 打印。(2)模型的转化：1 绪论3在下一步的模型打印前，首先需对三维模型进行格式转化，现在多数快速成型系统使用标准的 STL(Stereo Lithography)数据模型来定
21、义成型的零件。它是一种用许多空间小三角形面片来逼近三维实体表面的数据模型，常见的三维设计软件均具备此转化的功能，STL 格式也成为了 3D 打印领域的通用格式。(3)分层处理：在打印加工前需要对已转化为 STL 格式的三维模型进行叠层方向上的离散化处理，该处理便称为分层处理，也称为分层切片。具体来说，分层处理是用一系列平行于 XOY 坐标面的平面截取 STL 实体数据模型进而获取每层几何信息，打印机再将这些信息转化为打印路径，打印厚度等加工时需要的参数，为打印做好准备。分层处理的精度也反映出加工时间的长短。通过对模型进行分层处理，便将三维加工问题转化为了一系列二维加工问题，这一步骤也是体现 3
22、D 打印工艺特点的最重要步骤。(4)成型：通过计算机处理得到的分层与打印路线，喷头或激光设备随着电机的带动不断在打印平台上将材料一层一层均匀粘接或喷射，随着层厚的不断堆积，最后得到成型件。(5)后处理：快速成型工艺的后处理指的是去掉加工完的零件的支撑结构，或对零件表面做抛光打磨处理，使零件的结构和表面光洁度达到指定的要求 12。1.2.3 快速成型技术分类快速成型技术有许多种不同工艺，包括选区激光烧结、叠层实体制造、光固化成型、熔融沉积成型等，但根据对材料的加工方法不同可以分为两大类：一、通过黏合原材料制造物体；二、通过沉积原材料制造物体 13。1.2.3.1 通过黏合原材料制造物体的工艺(1
23、)选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)这种工艺是利用粉状材料在激光照射下熔化凝固的原理，在计算机控制下层层堆积成型。其原理与选择性激光熔融十分相似，主要区别在于所使用的材料，烧结工艺一般是熔化低熔点材料凝固金属粉末，熔融工艺则是直接熔化凝固金属。该工艺的成型精度一般能够达到(0.052.5)mm。通过此种工艺加工的零件应用非常广泛，但强度还不足以达到下文提到的激光熔融工艺的强度。(2)选择性激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)激光粉末焊接工艺，是目前最先进和工业应用最多快速成型技术。与上文的粉末烧结工艺不同，SLM 工艺采用大
24、功率激光，快速熔化金属粉末并获得连续的熔道，可以直接获得几乎任意形状与高精度的致密金属零件，在强度方面甚至可以达到二面向 3D 打印的竹塑材料及装置的关键技术研究4级热锻。SLM 成型材料一般是金属粉末，包括不锈钢、镍基合金、钛基合金、钴-铬合金和其他贵重金属。(3)光固化成型(Stereo lithography Apparatus ，SLA)光敏树脂凝固工艺，是最常见的一种预置材料固化型工艺，它以光敏树脂为原料 14。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。尺寸精度高，可达到0.1mm。但限于光敏树脂有毒的材料特性，此种机型在家庭应用很少，一般用于工厂开
25、模设计。1.2.3.2 通过沉积原材料层制造物体的工艺(1)叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)这是最早出现的一种堆叠材料去除型工艺，1991 年问世以来发展迅速。此工艺将层叠片材与激光切割结合，在保证制件精度的同时，一般以纸材为加工材料，所以成本低廉。制造出来的木质原型具有独特的美感和特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注。此工艺在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯以及直接制模等方面得到了广泛应用。(2)熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)FDM 工艺是最常见的一种同步送料型工艺，也是目
26、前占据市场份额第一的快速成型技术。该工艺方法以美国 Stratasys 公司开发的 FDM 设备应用最为广泛。FDM工艺的优点有：材料成本低；加工环境安全；工艺简洁。相比其他快速成型工艺缺点有：精度低；难以构造复杂件；悬空制件需加支撑；表面质量差。该工艺适合于进行产品的概念建模和造型评估，且不适合制造大型零件。所以熔融沉积在一般作为家用机使用 15。因 FDM 工艺是现在国内使用最为广泛的技术，且 FDM 工艺的成本较低，一般家庭与企业进行模型加工时便可以采用。故本文就 FDM 工艺进行相关研究。1.3 熔融沉积工艺概述1.3.1 熔融沉积工艺发展历程熔融沉积成型(Fused Depositi
27、on Modeling，FDM)是一种常见的沉积原材料型打印技术，同时，它也 SLA 和 SLS 工艺以外，在市面上应用最广的一种快速成型工艺。在 1988 年，美国学者 Scott Crump 博士首先提出了熔融沉积快速成型技术，在1991 年，又成功开发出了第一台商业机型 16。美国的 Stratasys 公司和 3D Systems公司一直掌握最先进的快速成型研发技术，这两个公司研发的 3D 打印机代表了世界快速成型工艺的最高水平，Stratasys 公司更因熔融沉积工艺的发明而在熔融沉积领域更胜一筹 17。Stratasys 公司的 Dimension、uPrint 和 Fortus 全线产品以及惠普大幅面打印机都
