电控热变形4D打印技术研究.pdf

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1、硕士学位论文电控热变形4D打印技术研究RESEARCHONELECTRONICALLYCONTROLLEDTHERMALDEFORMATION4DPRINTINGTECHNOLOGY王敬轩哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH166学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文电控热变形4D打印技术研究(工程硕士)硕士研究生：王敬轩导师：王武义教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH166U.D.C.:621Dissertationfort

2、heMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONELECTRONICALLYCONTROLLEDTHERMALDEFORMATION4DPRINTINGTECHNOLOGY（MasterofEngineering）Candidate：WangJingxuanSupervisor：Prof.WangWuyiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateo

3、fDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要4D打印是近几年来在3D打印技术基础上发展起来的一种新兴技术，即在3D打印基础上加了一个时间的维度，利用形状记忆智能材料，能够实现自我构建和重新组装。本课题研究的聚乳酸材料具有生物相容性，同时材料的拉伸强度高，生物降解性能突出，具有形状记忆功能，在生物医学方面具有很好的应用前景。目前，国内外己经有很多研究人员针对聚乳酸材料展开了研究，利用熔融沉积3D打印技术进行打印，打印件在升温环境下可实现自主

4、变形。但目前实验大多通过热水进行加热，一方面通过热水温度控制和保持比较困难，另一方面，水环境限制了此种材料的发展和应用。本课题采用理论分析、模拟仿真与实验研究相结合的方法，将聚乳酸形状记忆聚合物与铜丝进行复合3D打印，并通过实验及仿真进行相关技术研究。通过对复合的铜丝通电，实现对聚乳酸形状记忆聚合物加热，通过此种方式，将变形方式由温控切换成电控，具体研究内容如下：基于聚合物相变理论及熔融沉积3D打印基本原理，通过热挤出机将聚乳酸聚合物制成可用于4D打印的丝材，方便进行后续打印实验；在传统打印喷头基础上进行优化，设计了两种4D打印喷头，一体式喷头和分离式喷头，实现金属丝复合层及

5、纯聚合物层的任意比例打印；设计电控热变形4D打印机的运动平台、路径规划系统及控制系统，以保证后续打印实验顺利进行。基于有限元原理，利用comsol软件对4D打印过程及打印工件形状回复过程进行有限元仿真，首先对4D打印喷头热仿真分析研究，分析打印喷头热分布，探寻最佳打印温度及喷头与打印平台最佳打印距离，并为聚乳酸聚合物改性优化提供理论基础；然后对聚合物相变过程进行仿真研究，分析在打印圆弧时，因金属丝杨氏模量过大而导致的向轴心外侧的偏移量；最后对打印工件的复合金属丝种类及复合比例进行仿真研究，分析工件温度分布及形状回复情况。用实验的方式，对4D打印控形控性仿真进行试验验证，进一步

6、研究打印速度、打印喷头及打印平台温度、打印层厚等打印参数对金属丝对中性的影响机理及影响规律；并在分析复合层与纯聚合物层复合比例对打印工件回复性能的影响的基础上，研究碳纤维增强4D打印工件的形状回复性能。关键词：熔融沉积；4D打印；聚乳酸形状记忆聚合物：有限元仿真-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Abstract4Dprintingisanemergingtechnologydevelopedonthebasisof3Dprintingtechnologyinrecentyears.Itaddsatimedimensionto3Dprinting,andusesshapeme

7、morysmartmaterialstorealizeself-buildingandre-assembly.Thepolylacticacidmaterialstudiedinthisstudyhasbiocompatibility,hightensilestrength,outstandingbiodegradability,shapememoryfunction,andgoodapplicationprospectinbiomedicine.Atpresent,manyresearchersath