基于冻结浆料3D打印激光辐照温度场模拟及实验研究

论文摘要

陶瓷材料具有耐高温、高强度、抗腐蚀及物理化学性能稳定等一系列优良特性,尤其是近年来随着新材料的不断研发和制造技术的不断提升,功能陶瓷和工程陶瓷等特种陶瓷的产生,使得陶瓷材料广泛应用于航空航天、生物医疗、电子工业等高精尖端领域。3D 打印技术一经问世便备受国内外研究学者的关注,如今在高分子和金属材料领域已经应用成熟。但是由于陶瓷硬度高、脆性大、熔点高等难以避免的弱点,致使在高分子或者金属材料领域应用较为成熟的打印方法难以直接用于陶瓷材料。本文在分析现有陶瓷3D 打印方法及各种方法优缺点的基础上,提出了利用冷冻固定原理和激光扫描热作用进行陶瓷快速成型的新思路,并根据激光扫描路径的和陶瓷浆料成型机理的不同,提出了基于冻结陶瓷浆料的分层实体制造（FS-LOM）和选区固化法（FS-LSC）。首先通过实验探索,分析了基于冻结浆料的陶瓷材料激光扫描成型方法的可行性,同时,为了更进一步的探讨两种成型方法中,激光加工参数对于成型结果的影响规律,在多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics平台中,基于热传导理论,建立了高斯分布的激光辐照冻结陶瓷材料的三维瞬态物理模型,得到了材料表面的温度分布云图以及材料上表面中心点温度沿坐标轴平行方向的温度分布曲线。计算了激光扫描区域的结构尺寸,发现随着激光功率的增大和扫描速率的减小,激光固化/切割的深度和宽度都增大,反之减小;适当提高功率和扫描速率,可以在保证固化/切割深度满足的条件下提高加工精度。最后,以仿真结果为理论指导进行激光扫描冻结陶瓷浆料的实验。分别以固含量为50%的CMC-Na冻结陶瓷浆料和水玻璃冻结陶瓷浆料进行FS-LOM和FS-LSC实验,采用扫描电镜（SEM）观察成型样品的微观形貌,并测量记录其结构尺寸。与仿真结果进行对比分析,最终确定了分别是和两种成型方法的加工参数。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 论文研究背景
•   1.2 陶瓷3D打印技术及研究现状
•     1.2.1 3D打印技术
•     1.2.2 陶瓷 3D 打印技术及研究现状
•   1.3 激光加工技术及研究现状
•   1.4 本课题主要的内容
• 2 基于冻结浆料的陶瓷3D打印总体方案
•   2.1 基于冻结浆料激光选区扫描总方案
•   2.2 FS-LOM激光切割原理及过程
•     2.2.1 FS-LOM切割原理
•     2.2.2 FS-LOM粘结剂的选择
•     2.2.3 FS-LOM加工过程
•   2.3 FS-LSC激光固化及其优越性
•     2.3.1 FS-LSC固化原理
•     2.3.2 FS-LSC成型过程
•     2.3.3 FS-LSC成型方法优越性
•   2.4 本章小结
• 3 激光辐照冻结陶瓷热传导模型的建立
•   3.1 热传导相关理论概述
•     3.1.1 三种基本热传递方式
•     3.1.2 热传导方程
•     3.1.3 边界条件与初始条件
•   3.2 激光加热材料的模型建立
•     3.2.1 激光光源特征
•     3.2.2 建立传热模型
•     3.2.3 传热模型的基本假设
•   3.3 冻结陶瓷浆料热物性能参数测定
•     3.3.1 质量体积法测定密度
•     3.3.2 DSC法测定比热容
•     3.3.3 瞬态热线法测定导热系数
•   3.4 本章小结
• 4 激光辐照冻结陶瓷浆料温度场模拟
•   4.1 激光辐照陶瓷坯体温度场模拟
•     4.1.1 设定全局参数
•     4.1.2 确定材料属性
•     4.1.3 定义变量及函数
•     4.1.4 设定物理场
•     4.1.5 剖分网格
•   4.2 激光辐照CMC-Na冻结陶瓷浆料结果分析
•     4.2.1 温度场特性分析
•     4.2.2 不同扫描速度对温度场分布的影响
•     4.2.3 不同激光功率对温度场分布的影响
•     4.2.4 多因素参数对温度场分布的影响
•   4.3 水玻璃冻结陶瓷浆料温度场模拟结果
•   4.4 本章小结
• 5 激光辐照冻结陶瓷浆料实验研究
•   5.1 CMC-Na水基陶瓷浆料FS-LOM实验
•     5.1.1 实验材料
•     5.1.2 实验条件
•     5.1.3 实验过程
•     5.1.4 实验结果分析
•   5.2 水玻璃水基陶瓷浆料FS-LSC成型实验及结果
•     5.2.1 实验材料
•     5.2.2 实验过程
•     5.2.3 实验结果分析
•   5.3 实验结果与仿真结果对比分析
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 论文展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及写的专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李娜

导师: 陈桦,王恒

关键词: 陶瓷,打印,激光,冻结浆料,温度场

来源: 西安工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 西安工业大学

分类号: TQ174.1;TP391.73;TN249

DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000097

总页数: 74

文件大小: 5732K

下载量: 45