PLA材料3D打印件的力学性能研究开题报告

三、文献综述（1200字左右）

快速成型技术是80 年代后期发展起来的新兴先进制造技术，被认为是近20 年制造技术领域的一次重大突破，是一种基于离散堆积成型的数字化成形技术[1]。快速成型技术是集控制、激光、物理化学等高新技术于一体的综合性技术，可以快速准确地将设计思想转化为具有一定功能的原型，是提高产品质量和降低产品成本的有力工具[2]。

熔融沉积制造FDM（fused deposition modeling）又称为丝状材料熔覆或熔融挤出成型，属于快速成型RP（rapidprototyping）中重要的一种工艺形式[3-4]。FDM 工艺由美国学者在1988 年首次提出，美国某公司在1992 年开发推出第一台商业机型3DModeler。国内则是某高校最早开发此项技术，目前已经成功推出系列成熟产品。

FDM 工艺制作的原型件，从材料的性能以及外观看，都非常接近实际，在验证产品功能方面有独特的优势。常用的材料有ABS、尼龙和蜡丝等，以ABS 为原材料制作出的原型件强度可以达到原材料强度的80%，在各种快速成型方法中是比较优越的。

一、基本原理

FDM 工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在PLC 控制下逐层堆积成型[5]。熔融沉积成型工艺原理，如图1 所示。成型材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的喷头，并在喷头中加热至熔融态。加热喷头在控制系统指令下沿着零件截面轮廓和内部轨迹运动，同时将半流动状态的热熔材料挤出，粘稠状的成型材料和支撑材料被选择性地涂覆在工作台上，迅速固化后形成截面轮廓。当前层成型后，喷头上升特定高度再进行下一层的涂覆，层层堆积形成三维产品。

二、发展情况

增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备，目前已有的设备种类达到20多中。该技术一出现就取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等多个领域都得到了广泛的应用。

三、发展趋势

增材制造技术发展趋势有三个方面：

1.向日常消费品制造方向发展。三维打印技术是国外近年来的发展热点,其设备称为三维打印机将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可直接将计算机中的三维图形输出为三维的塑料零件。在工业造型、产品创意、工艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。

2.向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可直接制造复杂结构金属功能零件，制件力学性能可达到锻件性能指标。进一步的发展方向是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形技术。

3.向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控制造。如:在制造复合材

料零件中,将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成,从而实现结构体设计-材料-制造的一体化。

四、关键技术

增材制造有广阔的发展前景,但也存在巨大的挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了其实现技术。如:在成形材料上,目前主要是有机高分子材料和金属材料。金属材料直接成形是近十多年的研究热点,正逐渐向工业应用,难点在宇如何提高精度。新的研究方向是用增材制造技术直接把软组织材料(生物基质材料和细胞)堆积起来,形成类生命体,经过体外培养和体内培养去制造复杂组织器官。关键技术的研发将有力地推动增材技术的发展。

1.精度控制技术

增材制造的精度取决于材料增加的层厚和增材单元的尺寸和精度控制。增材制造与切削制造的最大不同是材料需要一个逐层累加的系统,因此再涂层(recoating)是材料累加的必要工序,再涂层的厚度直接决定了零件在累加方向的精度和表面粗糙度,增材单元的控制直接决定了制件的最小特征制造能力和制件精度。现有的增材制造方法中,多采用激光束或电子束在材料上逐点形成增材单元进行材料累加制造,如:金属直接成形中,激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制,直接影响制造精度和制件性能。激光光斑在0.1~ 0. 2 mm,激光作用于金属粉末,金属粉末熔化形成的熔池对成形精度有着重要影响。通过激光或电子束光斑直径、成形工艺(扫描速度、能量密度),材料性能的协调,有效控制增材单元尺寸是提高制件精度的关键技术。

2.复合材料零件增材制造技术

现阶段增材制造主要是制造单一材料的零件，如单一高分子材料和单一金属材料，目前正在向单一陶瓷材料发展。随着零件性能要求的提高,复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品。如:人工关节未来需要Ti合金和 CoCrMo合金的复合,既要保证人工关节具有良好的耐磨界面(CoCrMo合金保证),又要与骨组织有良好的生物相容界面(Ti合金),这就需要制造的人工关节具有复合材料结构。由于增材制造具有微量单元的堆积过程,每个堆积单元可通过不断变化材料实现一个零件中不同材料的复合,实现控形和控性的制造。

3.高效制造技术

增材制造在向大尺寸构件制造方向发展,如金属激光直接制造飞机上的钛合金框粱结构件,框粱结构件长度可达6 m，目前制作时间过长,如何实现多激光束同步制造、提高制造效率、保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的关键技术。此外,为提高效率,增材制造与传统切削制造结合,发展增材制造与材料去除制造的复合制造技术是提高制造效率的关键技术。

参考文献

1）机械设计与制造: 余东满，李晓静，王笛．［J］．熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用，2011，8：65-67．

（2）合肥：中国科学技术大学：徐文鹏［D］．3D 打印中的结构优化问题研究，2016.

（3）电加工与模具：李涤尘，田小永，王永信．［J］．增材制造技术的发展，2010，1:20-22.

（4）机械设计与制造：余东满，李晓静，王笛，［J］．熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用，2011,8：65-67.

（5）WeimingWang, Tuanfeng Y, et al. Cost-effective Printing of 3D Objects withSkin-Frame

Structures[J]. ACM Transactions on Graphics,2014,33(6): 177.

（6）N.V Viet.Free vibration and buckling characteristics of functionally graded beams

with triply periodic minimal surfacearchitecture [J]. Composite Structures,2021,274:114342.