【摘 要】
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3D打印技术是一种快速自由成形、制造三维实体零件或比例模型的技术,也称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术。其中,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技术,因为成本低廉、原材料范围广、环境污染小以及后处理简单等优势,是目前应用最为广泛的3D打印技术。然而,材料逐层累加的制造工艺致使FDM零件存在很多诸如气孔、夹杂、裂纹、层间分离
【基金项目】
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中国国家自然科学基金(51705068);
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3D打印技术是一种快速自由成形、制造三维实体零件或比例模型的技术,也称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术。其中,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)技术,因为成本低廉、原材料范围广、环境污染小以及后处理简单等优势,是目前应用最为广泛的3D打印技术。然而,材料逐层累加的制造工艺致使FDM零件存在很多诸如气孔、夹杂、裂纹、层间分离等缺陷,极大地影响了产品的机械性能,导致FDM产品很难与传统加工工件的机械性能相媲美,严重阻碍了该项技术的进一步发展。因此,提高FDM产品的机械性能成为FDM 3D打印技术的关键发展方向之一。到目前为止,研究人员为解决该问题已经进行了大量的研究与探索,然而提出的方法普遍存在着明显的缺点。为此,本文提出应用振动提高FDM产品机械性能的新方法,并开展相关的实验测试与分析研究,具体分为以下三个部分:(1)振动式FDM 3D打印机的设置,具体包括:在普通3D打印机热熔喷头处安装直流振动马达,并且振动马达可上下旋转并固定,马达上的偏心块质量可调;利用计算机辅助设计(CAD)和切片工具(Simplify3D)对样件进行建模,并在3D打印加工过程中的打印速度、线材宽度、打印层厚度等过程参数相同的情况下,制备振动引入前、后FDM 3D打印薄板样件。(2)实验研究了应用振动对FDM薄板机械强度的影响,具体包括:根据ASTM D638标准,利用拉伸试验机完成了不同样件的拉伸实验,确定了不同打印方向试件的应力-应变关系;对比分析了振动引入前、后相同打印方向样件的抗拉强度和弹塑性,以及不同打印方向样件的实验结果,确定了应用振动提高FDM产品机械强度的可行性;此外,针对这些样件的表面还进行了扫描电子显微镜(SEM)分析,从微观角度进一步说明了新方法的有效性(3)实验研究了应用振动对FDM薄板动力学性能的影响,具体包括:对悬臂状态下的样件进行了模态锤击试验以确定FDM样件的动力学特性参数,如固有频率、频率响应、阻尼比等;对比分析了振动引入前、后相同打印方向样件的固有特性和频率响应曲线,确定了应用振动提高FDM产品动力学性能的可行性;此外,针对这些样件的表面同时进行了扫描电子显微镜(SEM)分析,从微观角度进一步说明了应用振动这种新方法的有效性本文的研究有助于提高FDM产品的机械强度和动力学性能,为今后的研究提供重要的参考和技术支持,具有重要的工程和学术意义。
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