FDM 3D打印聚苯硫醚的力学性能研究与仿真分析

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近年来随着3D打印技术的不断发展,不同成型原理和功能的3D打印机应运而生,所使用的打印材料种类涉及较广。其中基于熔融沉积成型原理的3D打印技术发展较为成熟,目前常用的材料有PLA、ABS和尼龙等。但是针对聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)等特种工程塑料的打印仍然存在一些问题,这主要由于材料自身的特性所导致,比如PEEK粘度较高,PPS脆性大等特点。为此,本文通过研究市场上常见的打印机形式与特点,搭建了适用于多种塑料打印的3D打印实验平台。聚苯硫醚材料耐高温,耐腐蚀,阻燃性等优良的特性使得在航空航天、机械、电气等领域应用较为广泛。本文使用微型双螺杆挤出机成功制备出适合打印的聚苯硫醚丝材,为后续试件的打印与实验测试提供了良好的条件。根据试件的成型过程分析了不同阶段的影响因素,采用单因素实验方法研究了进丝速度、打印温度和分层厚度对试件力学性能的影响。通过实验得出的结果,设计正交试验进一步研究其对试件性能的影响程度并获得优化组合。在本文实验的前提下得出以下结论:对于试件的拉伸性能,选取进丝速度为20mm/s,打印温度为300℃,分层厚度为0.2mm时,能够取得最大的拉伸强度值;对于试件的弯曲性能,选取进丝速度为25mm/s,打印温度为290℃,分层厚度为0.1mm时,能够取得最大的弯曲强度值。同时,打印聚苯硫醚材料的试件时选取270℃~300℃左右的打印温度对试件性能没有显著作用。基于熔融沉积成型原理的打印试件常见缺陷为边缘部分发生翘曲变形并且层间结合效果差。针对以上问题,通常会调整打印参数和热处理打印试件来改善试件缺陷。但是,在热处理时温度和保持时间的选择问题上缺乏理论依据。为了探究环境温度在不同时间情况下对打印试件的影响,利用有限元法对不同温度下拉伸和弯曲模型的表面温度和横向截面温度进行了模拟与分析,研究了在不同温度下模型温度上升到设定值所需的时间。结果表明,聚苯硫醚材料的模型在不同温度中表面受热均匀,横向截面的温度梯度变化值较小,不同时间内的温度差值在2℃以内。通过将不同升温条件下所需的时间可视化,使得打印试件在后处理过程中利用热处理方式时可以设定相同时间来确定最佳温度区间。
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