特種工程塑料和柔性耗材在3D打印方面的工藝及應(yīng)用

主要研究了特種工程塑料和柔性耗材在3D打印方面的工藝及應(yīng)用，設(shè)計了適合這兩類材料打印的3D打印設(shè)備，并開展了相應(yīng)的實驗。一方面實現(xiàn)了柔性智能結(jié)構(gòu)的一體化打印，設(shè)計制作了功能性的器件；另一方面探索了在特種工程塑料中具有代表性的聚醚醚酮的內(nèi)填充工藝，為實現(xiàn)功能性材料的打印提供了參考。主要結(jié)論如下：

探討了3D打印柔性耗材（TPU）的加工工藝，改進(jìn)擠出口模，并重點(diǎn)考察了擠出工藝中溫度參數(shù)的影響。通過分析不同溫度狀態(tài)下的TPU耗材質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)低溫下耗材的透明性差，而溫度過高以后會產(chǎn)生氣泡和熔體破裂。通過打印試祥的拉伸性能分析，發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，確定適宜的擠出溫度在180-185℃之間。

利用TPU耗材設(shè)計打印了軟體機(jī)器魚，驅(qū)動模塊基于介電彈性體，確定了魚軀干部分的最佳5ｍｍ厚度，并采用“VHB-碳膏-VHB”的水下驅(qū)動形式。一體化打印過程分為預(yù)拉伸、涂電極、3D打印、裝電源四個部分，并通過高溫慢速打印，實現(xiàn)了介電薄膜（VHB）和柔性基體（TPU）的高質(zhì)量粘合。經(jīng)過測試，軟體魚達(dá)到了穩(wěn)定的游動效果，實現(xiàn)3cｍ/s的穩(wěn)定游動速度，并進(jìn)一步提出了自帶電源游動的軟體魚形式。

設(shè)計了軟體抓手的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動區(qū)域，提出了60ｍｍ、75ｍｍ、90ｍｍ這三種驅(qū)動單元方案，通過測試各驅(qū)動單元的變形角度和接觸力大小，確定了75ｍｍ最佳的驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)尺寸。與同類型的介電驅(qū)動器比較，顯示了較佳的綜合性能，單位質(zhì)量下的驅(qū)動力達(dá)到10.1ｍN/g。利用驅(qū)動單元設(shè)計了四模塊的整體抓手，抓取效果穩(wěn)定。

設(shè)計搭建了雙腔臺式特種工程塑料3D打印試驗機(jī)，包括打印頭、移動機(jī)構(gòu)、外框架、輔助機(jī)構(gòu)這些核心組件。著重設(shè)計了兩種柔性耗材和工程塑料的打印頭，搭建鈑金件外框架，選用Corexy型移動機(jī)構(gòu)和ChiTuPro控制板，提出PTC加熱＋熱輻射燈相結(jié)合的加熱系統(tǒng)，溫度由獨(dú)立的溫度控制模塊控制。

對噴嘴出絲不流暢的問題進(jìn)行了有限元模擬分析，得出：在不同打印條件比較下，加熱溫度（630/640/650K），進(jìn)絲速度（0.5/1/1.5ｍｍs-1），噴嘴直徑（0.3/0.4/0.5ｍｍ），噴嘴直徑對阻力影響最大，獲得了實驗條件下最佳的0.4ｍｍ的噴嘴結(jié)構(gòu)。

探索了PEEK內(nèi)填充工藝，研究了擠出溫度、打印層厚、進(jìn)料速度對打印產(chǎn)品內(nèi)填充率的影響。打印中需要將進(jìn)料電機(jī)速度控制在低轉(zhuǎn)速區(qū)，并調(diào)整好環(huán)境溫度和噴嘴距離，避免“打滑”和缺陷的產(chǎn)生。填充率隨打印溫度的增加而增加，隨進(jìn)料轉(zhuǎn)速的上升而下降，隨打印層厚的影響不大，確定了適宜的內(nèi)填充工藝參數(shù)為：溫度375°C，層厚0.3ｍｍ，進(jìn)料轉(zhuǎn)速4~5r/ｍin。

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