异质材料同轴螺杆挤出增材制造系统开发与工艺研究

作     者：南亚琪 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏青松

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：增材制造 异质材料 同轴 螺杆挤出 工艺优化 

摘      要：高分子熔融沉积成形是一种应用广泛的增材制造技术,但也具有材料制备成本高、材料范围小、难以实现多材料成形等局限性。为改善以上问题,本文提出并开发了异质材料同轴螺杆挤出增材方法与系统。（1）根据高分子颗粒和导电浆料成形的工艺需求,自底向上设计并搭建了一台增材制造试验系统,给出了新的多材料打印工艺方案。设计并搭建了螺杆式挤出机构、连续柱塞式挤出机构以及同轴喷嘴,采用龙门式三轴运动机构实现喷嘴与成形平台的相对运动;基于开源的Marlin固件增设交替挤出功能,并配合装有开源插件的Cura切片软件,搭建了适配本增材制造系统的控制系统和软件系统。成功开发出异质材料同轴螺杆挤出增材制造系统,可实现高分子颗粒和导电浆料的交替打印成形。（2）试验验证了开发的同轴螺杆挤出系统制造高分子材料的可行性。以PLA和TPU两种高分子颗粒为原料,通过以成形件尺寸精度、成形速度和取件难度为评价标准的正交试验。优化得到了适用TPU材料成形参数,机筒温度210℃,喷嘴温度200℃,热床温度50℃,螺杆转速5r/min,扫描速度25mm/s,层厚0.2mm;适用PLA的工艺参数为机筒温度200℃,喷嘴温度190℃,热床温度55℃,螺杆转速8r/min,扫描速度40mm/s,层厚0.15mm,打印效果良好,可以达到熔融沉积成形工艺水准。对打印制件进行力学性能分析,其中PLA打印制件力学性能能达到注塑件水准,TPU成形件由于致密度低,力学性能未达到注塑件水平。（3）通过试验对比PEDOT:PSS、镓铟合金和导电银浆的打印效果及导电性能,其中导电银浆在成形参数为扫描速度15mm/s,舵机转速1.11°/s时,挤出线宽为0.8mm,单位长度电阻为0.2Ω/cm,打印图案的连续性与均匀性较好。（4）以一种结构功能一体化的光控灯产品作为本试验系统的打印案例,设计了其结构、电路及工艺流程,打印制品能够完成预期功能,验证了本制造系统成形结构功能一体化产品的可行性。