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摘要本文介绍了 3D 打印的原理和应用，其中着重介绍了 FDM 工艺，并叙述了基于 FDM 工艺的 Reprap3D 打印机的结构，对打印机配套常规材料ABS 和 PLA 的打印参数探究实验，并对打印参数对打印结果的影响进行了分析，得出打印规律。同时也进行了打印件和原材料在力学强度和密度的对比实验，并对实验结果进行了分析。然后介绍了推进剂代用材料的打印实验，包括代用材料的选择，料条的制作以及代用料打印工艺参数的探索。最后介绍了在原始 3D平台上的修改及优化工作，包括打印机固件PID 参数的优化以及打印机尺寸的扩大化。27249
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毕业论文关键词 3D 打印 熔融沉积成型 Reprap 打印机 乙基纤文素 聚己内酯 拉力测试
Title Propellant substitute material of 3D printing moldingtechnology researchAbstractThis paper introduces the principle and application of 3D printing, particularlythe FDM process, and describes the structure of Reprap 3D printer based on FDMprocess, the inquiry experiment about regular material(ABS and PLA)'s printingparameters. the printing parameters on print results are analyzed, and theinfluence of print regularity are obtained. Also has carried on the contrastexperiment about the printout and raw materials in mechanical strength and density,and the experiment results are analyzed.Then introduces the printing experimentabout propellant substitute material, including the selection of substitutematerial, the production of filament and the inquiry experiment about propellantsubstitute material's printing parameters. Finally introduces the modificationand optimization on the original 3D platform, including the PID parameteroptimization of the printer firmware and making the size of printer bigger thanbefore.Keywords 3D printing FDM Reprap EC PCL Strain Relief Test
1绪论1
1.1快速成型原理及工艺特点1
1.2熔融沉积成型法（FDM）简介2
1.3其他相关工艺4
2打印平台及配套常规材料探索实验5
2.1打印装置及软件5
2.2常规材料打印实验10
3推进剂代用材料打印及相关装置改进16
3.1推进剂代用材料的打印实验16
3.2打印系统相关改进19
结论21
致谢22
参考文献23
1 绪论近年来，快速成型（Rapid prototyping and Manufacturing，简称 RP）作为一种新颖的制造技术受到了人们的广泛关注，即俗称 3D 打印。该技术在机械、汽车、航空航天、电子等行业都有一定的应用，一般用于快速生成模型或者零件。其大致流程是在计算机管理与控制下，依靠事先准备的 CAD数据，采用材料精确堆积的方式，由点堆积成面，由面堆积成立体，最终生成实体。这项技术可以不依靠模具、刀具和工装卡具而制造出复杂的的实体，使设计能够更加直观，从而缩短了产品的开发周期，降低了开发成本，提高了开发质量。快速成型技术的研究始于20世纪 70 年代， 但是直到 80 年代年代末才逐渐出现了较为成熟的制造设备。美国的 Alan J.Herbert、Charles W. Hull 以及日本的小玉秀男、丸谷洋二相继提出了关于快速成型技术的设想。在 1986 年，Charles W. Hull 取得了光固化立体造型设备的专利，标志着快速成型技术开始进入实用阶段。我国对于快速成型技术的研究始于1991 年，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高等学校都在该领域取得了一定的成就。清华大学现已开发出“M—RPMS-II”型多功能快速成型制造系统，该系统具有分层实体制造和熔积成型两种功能；西安交通大学则开发了基于立体光固成型法的 LPS 和CPS系统； 华中科技大学研制出了基于分层实体制造法的HRP 系统， 该系统的成型材料为纸；南京航空航大大学开发了基于选择性激光烧结法的RAP 系统。经过飞速发展，我国已研制出性能达到了国际水平的设备，并逐步实现了商品化。但总的说来，与工业化国家相比我国 RP技术的研究和应用尚存在一定的差距。1.1 快速成型原理及工艺特点快速成型采用离散/堆积成型原理，采用的是“分层制造、逐层叠加”的制造思想[1]。其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三文模型，然后根据工艺要求，按照一定的规律（通常按照 Z 轴方向）将该模型离散为一系列有序的单元，把原来的三文 CAD 模型变成一系列的厚度很薄的二文层片；再根据每个层片的轮廓信息，设定加工参数，自动生成数控代码；最后由数控成型系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层并自动将它们粘结而成形，得到一个三文物理实体[2]。快速成型的工艺有许多种，其中主要有 SLA（立体光固化成型法） 、LOM（分层实体制造法） 、SLS（选择性激光烧结法）和 FDM（熔融沉积成型法） 。SLA 工艺优点是精度高，表面质量好，原料利用率几乎 100%，能够制造十分精细复杂的模型；缺点是原材料价格比较昂贵，且种类较少，加工成本较高，翘曲变形大。LOM 工艺优点是成型速度快并且质量高，无需支撑结构，翘曲变形小，加工成本低；缺点是表面质量差，设备文护费用高，材料利用率低，无法制造内构复杂的零件。SLS 工艺优点是原型件机械性能好，强度高，无需支撑结构且原料利用率高；缺点是设备文护费用高，精度低，表面效果粗糙且会污染环境。FDM 工艺优点是材料利用率高，材料成本低且选择多，成型速度快；缺点是精度低且加工过程中容易堵丝。可以说快速成型技术的这四种主要工艺由于原理不同而各有优缺点，综合考虑之后可行性最大的便是 FDM 成型工艺。1.2 熔融沉积成型法（FDM）简介1.2.1 熔融沉积成型法（FDM）工艺流程FDM 系统由喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台等部件组成。整个流程分为三个阶段： 数据准备阶段、 打印阶段和后处理阶段。 加热喷头在计算机的控制下， 根据 CAD分层数据信息作 X-Y 平面运动和高度Z 方向的运动。丝状热塑性塑料由供丝机构送到喷头，在喷头中加热至熔融态，由喷头底部的喷嘴挤出并沉积在指定的位置上，快速冷却后形成截面轮廓，一层成型完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的沉积、冷却固化，逐层叠加，最终形成三文产品[3]。图 1.1 FDM工艺示意图这种方法适合成形小塑料件，比如铸造用母模以及精密铸造用蜡模等。虽然该工艺的打印件翘曲变形比 SLA 法小，但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长。解决这一问题的方法便是在打印系统上设置多个打印喷头，这样可以提高成型速度。由于所打印的模型、零件等的结构问题，在打印过程中会耗费一定原料作为样品的支撑。而 FDM 工艺的后处理便是将这些支撑材料从样品中除去[4]。 然而由于所选材料为热塑性弹性体，除去的支撑材料又可重新制成打印材料。1.2.2 熔融沉积成型法（FDM）原料原料一般要满足以下要求[5~6]机械性能：为了在驱动摩擦轮的牵引和驱动力作用下才不会发生断丝现象，丝料应具有一定的弯曲强度、压缩强度和拉伸强度；支撑材料需要保证不轻易折断。收缩率：打印材料收缩率大会使打印零件内产生内应力，使零件产生变形甚至导致零件翘曲及层间剥离；支撑材料收缩率大则会使支撑产生变形从而起不到支撑作用。所以材料的收缩越小越好。原料主要是热塑性材料[7]。原材料具体包括尼龙、ABS、聚酯等，其中以 ABS 和 PLA（聚乳酸）两种材料最为常见。1.2.3 熔融沉积成型法（FDM）特点及影响因素FDM 快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器；成型材料价格较低；FDM 原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间；体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。但是，成型速度较慢，精度较低[8]。在 FDM 工艺成形过程中，影响成形件精度主要因素有[9]：CAD 的离散化过程，喷丝材料的性能，喷涂过程中喷丝宽度误差以及重要工艺参数的优化，匹配如温度(喷嘴的温度和成形室的温度)，挤出速度和填充速度和分层厚度及分层方向等。1.2.4 相关工艺参数及实验采用 FDM 工艺的系统结构大体相似，故相关重要工艺参数也差别不大，具体有挤丝速度、出丝直径、挤丝高度、扫描速度、扫描沉积方式、喷嘴出口温度、成型室环境温度等。通过改变以上工艺参数，制定实验方案，继而观察对成型件的密度、拉伸强度及模量、弯曲强度及模量、曲挠强度等性能以及制件的精度和表面光洁度的影响来优化参数[10~12]。当然，如何评价成型件的优劣程度则需要一套评价体系。相关成型效果模型，例如高分子材料烧结模型[10]可以帮助认识到相关成型工艺参数的重要程度。通过了解各参数对成型控制的优先程度，可以对研究内容的主次进行合理地安排。在各项工艺参数中，较为重要的便是喷嘴出口温度。可以说 FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1℃左右[13]。在一些用于 FDM 系统的软件中，经过试验，还有其他一些会影响打印成型效果的参数。这些参数一般决定了打印方式，即决定了打印过程中的许多机械方面的因素。这些参数包括层高（决定打印层高度，影响打印时间和成型件表面精细程度） 、填充度（决定成型件密度及强度，影响打印时间）和填充类型（影响打印时间及成型件力学性质）等。
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