（机械设计及理论专业论文）木塑材料快速成形件性能及其关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 选区激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 借助于计算机辅助设计与制造，采用 分层制造叠加原理，将固体粉末直接成形为三维实体零件。用聚合物及其复合粉末成形 功能件是s l s 技术的一个重要发展方向，具有广阔的应用前景。虽然国内外研究者对聚 合物及其复合粉末的制备与s l s 成形进行了较为深入的研究，但仍存在许多技术性难题 急需解决，由此针对木塑复合材料进行选区激光烧结关键性技术的系统研究具有一定的 前瞻性。 综述了快速成形技术产生的背景、国内外研究现状和发展趋势，重点阐述和分析了 选区激光烧结技术国内外的研究现状、工作原理和工艺特点，在此基础上提出了本课题 的研究目的和意义。重点解决木塑快速成形件性能及关键技术的问题，达到降低材料成 本和扩大快速原型材料应用范围的目的。 综合借鉴现有的有关界面相容和烧结理论方面的成果，仔细分析了木粉、热熔胶 ( p e s ) 和塑料( p p ) 的特性，重点研究了它们混合后的相容性及烧结特性，在此基础上进行 了混粉的制备和工艺流程的制定。通过试验和分析，采取了一定措施改善木塑界面的相 容性。通过研究提出了改善木塑界面相容性有二种途径：通过碱化方法对木纤维进行表 面处理，降低与疏水性聚合物间的相斥作用；添加合适的界面相容剂。通过试验和 s e m 分析，指出了在木塑复合材料烧结过程中存在范德华力、静电力和毛细管力等力 且这些力的作用促使木塑粉末颗粒的有效接触，形成烧结颈，产生分子链段这一现象， 揭示出分子链段内旋转是聚合物烧结的物质主要迁移机制这一本质，且发现随着温度的 升高，分子链段的柔性增加，刚性减小这一特性。 通过理论和试验，较详细分析了木塑复合材料在选区激光烧结过程中所产生的温度 场、热应力及热应变场的变化趋势，并以能量密度的角度对热量传输和分布作了一定的 阐述。 通过试验和理论分析，系统地研究了s l s 成形件的精度问题，分别讨论了成形件精 度的各种组成部分及其形成原因和影响，概括出成形件的误差包括机器系统的误差， c a d 模型误差，工艺误差及次级烧结和踟“盈余 所产生的误差。着重指出成形零件 的主要形状误差是成形翘曲，成形翘曲主要是由层与层之间收缩的不连续引起；翘曲分 为一维翘曲和二维翘曲。 在成形机上烧结木塑复合材料并形成试件，进而对试件进行力学性能的测试、扫描 电镜s e m 的分析及烧结工艺参数的优化试验，试验表明：木塑复合材料的拉伸强度、 弯曲强度、拉伸模量和弯曲模量均随着木粉和m a h 的加入量的变化而变化；相容剂的 使用有利于复合材料力学性能的提高；采用优化烧结工艺参数成形的烧结件密度大，力 学性能大大提高。 通过解决上述关键性技术难题，促进了国内s l s 用聚合物及其复合粉末的发展，填 摘要 补了国际和国内利用木塑复合材料进行激光烧结技术的空白，对推动我国s l s 技术的整 体进步，进一步扩展s l s 技术在各个行业中的应用具有一定的意义。 关键词选区激光烧结技术；木塑复合材料；能量密度；成形精度；力学性能 a b s t r a c t i i a b s t r a c t t h es e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n gi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl a m i n a t e dm a n u f a c t u r i n ga n d s u p e r p o s i t i o na n da l s ot a k ea d v a n t a g eo fc a d & c a mt e c h n o l o g yt om a k es o l i dp o w d e ri n t o t h r e e - d i m e n s i o n a l p a r t s u s i n gp o l y m e r sa n dc o m p o u n dp o w d e rt om a k ef u n c t i o n a l c o m p o n e n t si so n e o ft h et y p i c a ld i r e c t i o n so fs l s d e v e l o p m e n ta n dh a sp r o m i s i n gp r o s p e c t s o na p p l i c a t i o n a l t h o u g hd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e d o nt h i s t e c h n o l o g yi nd e p t h ，t h e r ea r es t i l lc o n s i d e r a b l ec r i t i c a lt e c h n i c a lp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d s ot os p e a k , r e s e a r c ho nt h ec r i t i c a li s s u eo fs l so nw o o d 。p l a s t i cc o m p o s i t em a t e r i a l si s p r o m i s i n g t h i sa r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nf o rt h ed e f i n i t i o no fr a p i dp r o t o t y p ea n d b a c k g r o u n d f o rg e n e r a t i o n , p r e s e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c hb o t hi nd o m e s t i c a l l ya n df o r e i g nc o u n t r ya n d d e v e l o p i n gt r e n d s ，e s p e c i a l l yh a v ead i s c u s s i o na n da n a l y s i so ns l st e c h n o l o g y sp r e s e n t s i t u a t i o no fr e s e a r c hb o t hi nd o m e s t i c a l l ya n df o r e i g nc o u n t r y , p r i n c i p l e so fw o r k i n ga n d c h a r a c t e r i s t i c so fp r o c e s s ，w h a t sm o r e ，b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h ，i td e m o n s t r a t e st h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i si s s u e t h ep u r p o s eo ft h ea r t i c l ei sm a i n l yo ns o l v i n gt h e p r o b l e m so fp r o p e r t i e sa n dc r i t i c a lt e c h n o l o g yo fr a p i dp r o t o t y p ec o m p o n e n t sb a s e do nw o o d p o w d e rt or e a c ht h eo b j e c t i v eo fr e d u c i n gc o s ta n de n l a r g et h ea r e ao fa p p l i c a t i o no fr a p i d p r o t o t y p em a t e r i a l t h i sa r t i c l er e f e r st ot h ep r e s e n ta c h i e v e m e n to fi n t e r f a c e - c o m p a t i b l ea n di n t e r f a c e - s i n t e r i n gp r i n c i p l e sa n dc a r e f u l l ya n a l y z e st h ep r o p e r t i e so fw o o dp o w d e r , p e sa n dp p ，m a i n l y r e s e a r c h i n go nt h ec o m p a t i b i l i t ya f t e rm i x t u r ea n di t ss i n t e r i n gp r i n c i p l e , a n db a s eo nt h i s ，i c o n d u c t e dt h em a k i n go fm i x e dp o w d e ra n di t s p r o c e s s t h r o u g ht e s ta n da n a l y s i s ，t h e c o m p a t i b i l i t yo fi n t e r f a c eb e t w e e nw o o d - p l a s t i ch a sb e e ni m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h , t h e r ea r et w om e t h o d sw i t hw h i c hw ec a ni m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t y o n em e t h o di st h a tw e c a l l p r o c e s st h e s u r f a c eo fw o o df i b e r s b ya l k a l i z a t i o nt or e d u c et h er e p u l s i o nw i t h h y d r o b o l i c i t y , m e a n w h i l e ，t h ei n t e r f a c i a lc o m p a t i b l i z e rs h o u l db eu s e d t h r o u g ht e s ta n ds e m a n a l y s i s , w ec o n c l u d et h a tt h ef o r c es u c ha sv a nf o r c e , e l e c t r o s t a t i cf o r c ea n dc a p i l l a r yf o r c e a n ds of o r t hm a k em a t e r i a lc o n t a c te f f i c i e n t l yw h i l es i n t e r i n g , m e a n w h i l ei ta t t a i n ss i n t e r i n g n e c ka n dm o l e c u l es e g m e n t ，a n di t si n t e r n a lr o t a t i o ni st h em a i nm e c h a n i s mo fm a t e r i a l m i g r a t i o no fp o l y m e r ss i n t e r i n g m o l e c u l es e g m e n t sf l e x i b i l i t yi n c r e a s e sa n di t ss t r e n g t h d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e t h i sa r t i c l eh a sas p e c i f i ca n a l y s i so nt h et e m p e r a t u r ef i e l do f w o o d p l a s t i cp o w d e rb e d ， t h e r m a ls t r e s sa n ds t r a i nf i e l di nt h ep r o c e s so fs l s ，a n dd i s c u s s e sh e a tt r a n s m i s s i o na n d d i s t r i b u t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp o w e rd e n s i t y i a b s t r a c t t h ea r t i c l et a l k sa b o u tt h ep r e c i s i o np r o b l e mo ff o r m e dp a r t si ns l ss y s t e m a t i c a l l y t h o u g ht e s ta n dt h e o r y , a n dd i s c u s s e sa 1 1c o m p o s i n gp a r t so fp r e c i s i o n ，i t sf o r m i n gr e a s o na n d i t se f f e c t sr e s p e c t i v e l y , w h i c hm a k e sm ed r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n st h a tt h ee l t 0 1 so f f o r m e dc o m p o n e n t sc o n s i s t so ft h ee r r o ro fm a c h i n e ss y s t e m , c a dm o l d , p r o c e s s ，s e c o n d a r y s i n t e r i n ga n ds u r p l u sw i t h i nza x i s i tp o i n t so u tt h a t t h em a i ns h a p eg l t o ro ff o r m e d c o m p o n e n t si sm a i n l yd u et of o r m i n gw a r pa g ew h i c hi sc a u s e db yt h ei n c o n s i s t e n c yo f c o n t r a c ta m o n gl a y e r s ，a n dw ec 觚d i v i d eo n e d i m e n s i o n a lw a r p a g ea n dt w o d i m e n s i o n a l w a r p a g e t o s i n t e r i n g t h e c o m p o u n d m a t e r i a la n d f i n a l l ym a n a g e s t om a k et h e t e s t c o m p o n e n t s ，t h e nd i ds o m em e c h a n i c sp r o p e r t yt e s t ，a n a l y s i sw i t hs e m ，a sw e l la ss i n t e r i n g p r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , t h et e s t ss h o w st h a tw i t ht h ec h a n g eo fw o o d p l a s t i cp o w d e r a n dm a h ，t h ew o o d - p l a s t i cp o w d e r ss t r e t c h i n g ，b e n d i n ga n di m p a c ts t r e n g t ha r cc h a n g e d c o m p a t i b i l i z e ri s9 0 0 df o rt h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i c sp r o p e r t yo fc o m p o u n dm a t e r i a l s t h eu s i n go fo p t i m i z e ds i n t e r i n gp a r a m e t e rc a nb r i n gu sh i g hd e n s i t yt e s t p a r t sw h o s e m e c h a n i c sp r o p e r t yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l ya tt h es a m et i m e t h i sr e s e a r c hp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cp o l y m e r sa n di t sc o m p o u n dp o w d e r u s e di ns l sa n df i l l si nt h eb l a n ko fa p p l i c a t i o no fw o o d - p l a s t i c sm a t e r i a li nl a s e rs i n t e r i n g ， a n dd o e s w e l lf o rb o o s t i n gt h e p r o g r e s s i n go fd o m e s t i cs l st e c h n o l o g y , a n da l s oh a s s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h eu s i n go fs l st e c h n o l o g yi na l lp r o f e s s i o n s k e y w o r d ss l s ；w o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e s ；e n e r g yd e n s i t y ；, f o t m a a o np r e c i s i o n ；m e c h a n i c s p r o p e r t i e s i v c h i n e s ea b s t r a c t e n g l i s h c a t a l o g a b s t r a c t 。 1i n t r o d u c t i o n l i i i l 1 1b r i e f i n t r o d u c t i o nt or a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 1g e n e r a ld e f i n i t i o no f r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 。1 。i 。1 2b a c k g r o u n da n dh i s t o r yo f r pt e c h n o l o g y 1 1 1 3p r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n df o rd o m e s i t i c & a b r o a dr p r e l a t e dr e s e a r c h 2 。i 2b r i e fi n t r o d u c t i o nt os l st e c h n o l o g y 5 1 2 1p r e s e n td e v e l o p i n ga n dr e s e a c h i n gs i t u a t i o nf o rs l si nd o m e s t i ca n da b r o a d 5 。i 2 2w o r k i n g p r i n c i p l e st os l s 8 。i 2 3p r o c e s s i n gc h a r a c t e r st os l s 9 1 3p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i si s s u e 9 1 3 。ir e s o u c eo f t h i si s s u e 9 1 3 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h i si s s u e 9 。i 4c o n t e n t so f t h ep a p e r 1 0 2r e s e a r c h0 1 1i n t e r r a c i a lc o m p a t i b i l i t ya n ds i n t e r i n gm e c h a n i s mf o rm i x e dp o w d e ro f w o o dp o w d e ra n dh o tm e l ta d h e s i v e 11 2 。ic o m p o s i t i o na n dp r e p a r a t i o np r o c e s so f m i x e dp o w d e r 1 1 2 1 。ic o m p o s i t i o na n df u n d a m e n t a lr a t i of o rm i x e dp o w d e r 11 2 1 2p r o c e s s i n gf l o wf o rp o w d e rp r e p a r a t i o n 11 2 2e f f e c t so f b a s i cf e a t u r eo f w o o dp o w d e ro l lt h ep r o p e r t i e so f w o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e s 1 2 2 2 1b a s i cf e a t u r eo f w o o dp o w d e r 1 2 2 2 2k e yf a c t o r sa f f e c t i n go np r o p e r t i e so f w o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e s 1 4 2 3s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fw o o dp o w d e ra n di n t e r f a c e c h a r a c t e r i s t i e sw o o d p l a s t i c c o m p o s i t e s 1 4 2 3 1s u r f a c ef e a t u r e so f w o o dp o w d e r 1 4 2 。3 2i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t c i so fw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s 16 2 4t h e o r yo fc o m b i n a t i o no fw o o d - p l a s t i ci n t e r f a c ea n dm e a s u r e sf o ri m p r o v i gt h ei n t e r f a c i a l c o m p a t i b i l i t y 1 7 2 4 1c o m b i n i a t i o nt h e o r yo f w o o d - p l a s t i ci n t e r f a c e 1 7 2 4 2a n a l y s i sa n dp r o c e s so f w o o d - p l a s t i ci n t e r f a c e sc o m p a t i b l i z a t i o n 2 0 2 4 3m e a s u r e sf o ri m p r o v i gt h ew o o d - p l a s t i ci n t e r f a c i a lc o m p a t i b i l i t y 2 1 2 5b a s i ct h e o r yo f p o w d e rs i n t e r i n g 2 7 】i i i e n g l i s hc a t a l o g l 自= 自目= 目_ 目目! | 目自| = g s 目自0 = 自e 自 目自= 自| 鲁自= e = = = e ! ! = = ! 自目| 目自_ _ = = g 目j i vimi i i g 目目s ! = ! 目 2 5 1d i s p e r a t i o nc a p a c i t yo f p a r t i c l e si n t e r v a lp o i n ta n di t si n t r i n s i cs i n t e r i n gf e a t u r e 2 7 2 5 2t h e r m o d y n a m i c a ld r i v i n gf o r c ef o rp o w d e rs y s t e ms i n t e r i n g 2 9 2 6b a s i cp r o c e s so fs i n t e r i n g 3 0 2 6 1c o n t a c t sa m o n gp a r t i c l e s 3 0 2 6 2g r o w t ho f s i n t e r i n gn e c k 3l 2 7c h a p t e rs u m m a r y 3 6 3r e s e a r c ho ns l st e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r a i nf o r c ef i e l da n dh e a tt r a n s m i s s i o n 3 7 3 1 t e m p e r a t u r ef i e l d 3 7 3 1 1b a s i ce q u a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l do f 3 di n s t a n ts t a t e 3 7 3 。i 2m e t h o do f f i n i t ee l e m e n tf o ri n s t a n tt h e r m o t r a n s m i s s i o n 3 8 3 。i 3a n a l y s i sf o rt e m p e r a t u r ef i e l do f p o w d e rb e d 3 9 3 2t h e r m o s t r e s sa n dt h c ：扪m o s t r a i nf i e l d 4 6 3 2 。ib a s i ce q u a t i o no f t h e r m o e l a s t i cs t r e s sa n ds t r a i n 4 6 3 2 2s o l u t i o ni nf i n i t ee l e m e n to f t h e r m o e l a s t i c i t y 4 8 3 2 3a n a l y s i so ft h e r m o s t r e s sa n dt h e r m o s t r a i nf i e l df o rp o w d e rb e d 一5 0 3 3h e a tt r a n s m i s s i o no f l a s e rs c a n n i n g 5 2 3 3 1h e a ts o u r c ef o rl a s e ra n dp r o c e s so f p h a s et r a n s i t i o n 5 3 3 3 2e n e r g yd e n s i t yr e c e i v e db ys u r f a c i a lp o w d e r 5 4 3 3 3s i m p l i f i z e df o r mo fe n e r g yd e n s i t yr e c e i v e db ys u r f a c i a lp o w d e ru n d e rl a s e rs c a n n i n g 5 6 3 4c h a p t e rs u m m a r y 5 7 4r e s e a r c ho nf o r m a t i o np r e c i s i o nf o rw o o d - p l a s t i cm a t e r i a lb a s e do ns l s 5 9 4 1e f f e c t so ns i n t e r i n gq u a l i t yo fi n a c c u r a c yo ff a c i l i t i e s ，c a dm o d e la n dp r o c e s s 5 9 4 1 1d i m e n s i o n a lp r e c i s i o n 6 0 4 1 2s h a p ep r e c i s i o n 6 6 4 1 3m e a s u r e si nd e c r e a s i n gc o n t r a c t i o n 7 0 4 2e f f e c t so fs e c o n d a r ys i n t e f i n go ns i n t e r i n gm o l d i n gq u a l i t y 7 0 4 2 1c a u s e sf o r m e d b ys e c o n d a r ys i n t e r i n g 7 l 4 2 2e x p e r i m e n t s 7 1 4 2 3f a c t o r so f e f f e c to ns e c o n d a r ys i n t e r i n g 7 2 4 3e f f e c t so f zs u r p l u s ”o ns i n t e r i n gm o l d i n gq u a l i t y 7 4 4 3 1c a u s e sf o r m e db y zs u r p l u s 7 4 4 3 2e x p e r i m e n t s 7 5 4 3 3f a c t o r so f e f f e c to n “zs u r p l u s ”7 5 4 4c h a p t e rs u m m a r y 7 7 5r e s e a r c ho nm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fp i e c e sf o r m e db yw o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e sb a s e d o ns l s 7 8 e n g l i s hc a t a l o g 5 1p r o d u c t i o na n dt e s tf o rp i e c e s 7 8 5 2f a c t o r so f e f f e c to nm e c h a n i c sp r o p e r t i e sf o rp i e c e so f c o m p o s i t e s 8 0 5 2 1e f f e c t so f w o o dp o w d e rq u a n t i t yo nm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e s 8 0 5 2 2e f f e c t so f m a hc o n t e n to i lm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e s 8 0 5 2 3s e ma n a l y s i so f s t r u c a t r ef o rt h ef r a c t u r e ds u r f a c eo f t e s tp i e c e 8 2 5 3e f f e c t so fm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so fs l so ns i n t e r i n gp r o p e r t i e so fw o o d - p l a s t i c c o m p o s i t e s 8 3 5 3 1o p t i m i z a t i o no f m o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rs l s 8 3 5 3 2e f f e c t so fs c a n n i n gs p e e da n dl a s e r sp o w e ro ns i n t e r e dd e n s i t y 8 4 5 3 3e f f e c t so fs c a n n i n gs p a c eo ns i n t e r e dd e n s i t y 。8 5 5 3 4e f f e c t so fp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo ns i n t e r e dd e n s i t y 8 6 5 3 5s e m a n a l y s i so f s t r u c t u r ef o rt h ef r a c t u r e ds u r f a c eo f t e s tp i e c e 8 6 5 4c h a p t e rs u m m a r y 8 7 c o n c l u s i o n s i t e f e r e n c e s 。 p a p e r sp u b l i s h e di nt h ep e r i o do fp h d e d u c a t i o n a e k n o w l e d e m e n t s t a t e m e n to fc o p y r i g h t x 8 8 8 9 9 9 1 0 0 1 0 1 1 绪论 1 绪论 本章综述了快速成型技术的发展历史，特别介绍t s l s 成型技术的发展现状和存在 的问题，并在此基础上提出了本文的研究意义和目的及研究内容。 1 1 快速成型技术概述 1 1 1 快速成型技术的一般定义 快速成型技术是2 0 世纪末发展起来的一项先进制造技术，是在现代c a d c a m 、 激光、c n c 、精密伺服驱动以及新材料等技术的基础上集成发展起来的。快速成型根据 计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造出产品样品，是制造业企业新产品 开发服务的一项重要技术【l 】。 快速成型的定义是直接从计算机的图形数据产生三维物体的成型方法，简记为r p m 限a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ) ，这个术语是由美国3 d 公司首先提出并使用 的。快速成型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，以下简称r p ) 是信息时代的产物，其技术系 统的核心是信息采集及处理，从本质上讲，r p 系统中的各个转换环节都是信息处理的 环节，如数据处理反求工程，原型制造，快速工模具制造等【2 】。r p 技术对制造业新产品 研究开发的促进作用已为业界人士所共识【3 】。 r p 技术突破了传统的加工模式，是近2 0 年制造技术领域的一次重大突破。它与科 学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可