PLA材料在FDM成型中的熱力特性研究

PLA材料在FDM成型中的熱力特性研究PLA材料在FDM成型中的熱力特性研究

摘要：

3D打印技術(shù)在制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其中FDM（熔融沉積建模）是一種常用的3D打印技術(shù)。PLA（聚乳酸）材料作為一種常見的打印材料，具有良好的可加工性和生物降解性。然而，了解PLA材料在FDM成型過程中的熱力特性對于優(yōu)化打印參數(shù)和改進打印質(zhì)量至關(guān)重要。本文通過分析PLA材料的熱傳導(dǎo)性、熱膨脹性和熔融點等熱力特性，探討了PLA材料在FDM成型中的熱力行為和性能。

1.引言

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展促使其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如汽車制造、醫(yī)療器械和航空航天等。FDM技術(shù)作為一種代表性的3D打印技術(shù)，使用熱塑性材料通過層層堆積的方式進行打印。FDM技術(shù)具有成本低、制造周期短和制造靈活性高等優(yōu)點，在工業(yè)和個人制造領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在FDM成型過程中，打印材料的熱力特性對于打印質(zhì)量和成型效果具有重要影響。

2.PLA材料的熱力特性

PLA材料是一種生物降解塑料，提供了一種環(huán)境友好型的打印解決方案。在FDM成型中，PLA材料的熱傳導(dǎo)性影響著材料的熔融和冷卻過程。熱傳導(dǎo)系數(shù)是衡量材料傳導(dǎo)熱的能力，PLA的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，約為0.13W/(m·K)。這導(dǎo)致了PLA的熱態(tài)下冷卻速度較慢，有利于打印過程中的細節(jié)表達和材料附著性。同時，PLA材料的熱膨脹系數(shù)較低，約為70-80×10^-6/℃，使得PLA在打印過程中更容易掌控尺寸變化。此外，PLA的熔融點在160-220℃之間，這使得PLA在FDM過程中適合于低溫打印，使其更加安全和易于操作。

3.PLA材料的熱力行為

熔融是FDM成型過程的核心，也是PLA材料的熱力行為的關(guān)鍵。在PLA材料加熱至熔融點的過程中，PLA的結(jié)晶度逐漸降低，使得材料變得黏性。然后，PLA通過擠出頭從噴嘴中擠出，經(jīng)過降溫后，PLA逐漸固化和結(jié)晶，最終形成打印件。根據(jù)PLA的熱力特性，合理的加熱溫度和速度能夠提高成型速度和打印質(zhì)量。在實際打印過程中，打印參數(shù)的選擇和控制至關(guān)重要。

4.求解PLA材料的熱力特性

為了更準確地了解PLA材料的熱力特性，可以通過實驗方法和數(shù)值模擬進行求解。實驗方法可以通過熱流計儀和差熱掃描量熱儀等設(shè)備來測量PLA材料的熱傳導(dǎo)性和熱膨脹性。數(shù)值模擬可以使用有限元分析軟件對PLA材料的熱力行為進行建模和仿真。通過實驗和數(shù)值模擬的相結(jié)合，能夠更好地了解PLA材料在FDM成型中的熱力特性并優(yōu)化打印過程。

5.結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了PLA材料在FDM成型中的熱力特性，并分析了其熱傳導(dǎo)性、熱膨脹性和熔融點等熱力參數(shù)。PLA材料具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，適用于低溫打印。了解PLA材料的熱力特性有助于優(yōu)化FDM打印參數(shù)和提高打印質(zhì)量。進一步研究PLA材料的熱力特性可以通過實驗方法和數(shù)值模擬來完成?？傊钊胙芯縋LA材料在FDM成型中的熱力特性對于提升3D打印技術(shù)的應(yīng)用性和性能至關(guān)重要。

參考資料：

1.Huang,B.,etal.(2019)."Effectofprocessparametersontemperaturedistribution,partshrinkage,andwarpageinfuseddepositionmodelingofpolylacticacid."JournalofReinforcedPlasticsandComposites38(3):123-135.

2.Zielsko,A.,etal.(2017)."MechanicalandthermalpropertiesoftheprintedPLA-basedmaterialfilledwithflyashcenosphereparticles."CompositesPartB:Engineering123:121-131.

3.Fan,Q.,etal.(2019)."Effectsoffuseddepositionmodelingprocessparametersonthesurfaceroughnessanddimensionalaccuracyof3D-printedpolylacticacidparts."RapidPrototypingJournal25(8):1418-1430綜合以上研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。首先，PLA材料的力學和熱性能在添加增強材料后得到了顯著改善。玻璃纖維增強劑的添加可以提高材料的強度和剛度，而飛灰中心球顆粒的添加則可以增加材料的熱穩(wěn)定性。其次，3D打印工藝參數(shù)對PLA部件的表面粗糙度和尺寸精度產(chǎn)生了顯著影響。適當選擇和調(diào)整打印工藝參數(shù)可以改善打印部件的表面質(zhì)量和尺寸精度。