论文题目：外场辅助直写3D打印弹性体多孔材料工艺研究
摘要：近年来,多孔材料凭借低密度、高比面积等特性在药物运输与工程材料等领域展现出巨大的应用潜力。传统方法制备的多孔材料由于其内部孔隙形状不一致与分布不均匀,其性能难以精准把控,而3D打印中的墨水直写技术（Direct Ink Writing,DIW）能够制备结构规则、有序的多孔结构。在DIW中,样品结构对于样品最终性能的影响不容忽视,常规的直写过程中不合理的制造工艺与结构设计会导致样品结构的失真与性能的下降。本文采用外场辅助直写的方式制备多孔硅橡胶弹性体,其中外场包括热场和激光场。最终,得到了高制造精度与高结构保真度的硅橡胶泡沫,有望在吸能减震领域中发挥重要作用。本课题的主要研究内容如下:（1）利用高温平台辅助,以SE1700作为实验材料制备硅橡胶泡沫,并探究其制备工艺。首先通过表征SE1700的流变特性与热力学特性,分析高温平台辅助直写工艺的可行性。借助流体仿真软件ANSYS Polyflow分析了直写打印过程中针筒内与针尖处的流体行为,仿真结果表明浆料在针筒内几乎保持准静态的流动过程,而流速、压力与剪切速率在针尖处有较大的梯度变化。另外,通过控制变量法探究了打印速度、挤出压力与基底温度对沉积线条直径（d）的影响,并基于上述实验得到各温度基底下的最佳打印参数,制备出不同线间距（s）的硅泡沫样品,对其层间塌陷距离与压缩力学性能进行表征。结果显示:1)高温平台的加入可以显著降低大线间距泡沫样品中的层间塌陷,在s/d=10的泡沫样品中,塌陷距离从常温基底上的1000μm下降到150℃基底上的100μm;2)高温平台的加入可以显著提高泡沫样品的制造稳定性与压缩力学性能,以s/d=5的泡沫样品为例,150℃基底上的样品相比常温基底上的样品应力平台工作范围提高了近100%。最后通过实验与仿真相结合阐述了高温平台辅助直写工艺的扩展与限制。（2）利用二氧化碳激光原位固化SE1700硅橡胶实现即时固化的直写打印,并对其制备工艺进行探究。首先分析了SE1700的FT-IR图谱,发现其在红外波段保持极高的吸收率,故选择了波长为10.6μm的二氧化碳激光器。将挤出过程与固化过程解耦,分别探究不同的挤出参数与激光功率对线条固化的影响,并通过原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）表征了不同固化条件下硅橡胶线条微观的表面形貌与力学性能。利用COMSOL Multiphysics模拟了激光照射在硅橡胶线条表面时线条内部的温度场分布情况,结果显示在激光扫描速度提高时,线条区域内温度会逐渐下降,当激光扫描速度为3 mm/s时,区域内平均温度能够达到150℃左右。最终结合上述实验与仿真的结果,以激光辅助直写打印的形式制备了硅橡胶泡沫,并针对导热系数差异造成的靠近基底处的材料难以固化的问题,结合高温平台辅助加热技术,成功实现即时制备硅泡沫。
关键词：增材制造;墨水直写技术;热场辅助;激光辅助;多孔材料;硅橡胶
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 硅橡胶直写3D打印研究
1.2.2 外加物理场辅助直写打印研究
1.2.3 3D打印结构保真度研究
1.3 课题的提出及意义
1.4 课题的主要研究内容
第二章 样品的制备及测试技术
2.1 实验药品与设备
2.1.1 主要实验药品
2.1.2 主要实验设备
2.2 硅泡沫制备工艺
2.3 表征手段及其原理
2.3.1 水接触角测量仪
2.3.2 旋转流变仪
2.3.3 差示量热扫描仪
2.3.4 FT-IR光谱仪
2.3.5 原子力显微镜
2.4 本章小结
第三章 高温平台辅助直写打印硅泡沫研究
3.1 引言
3.2 实验设备与材料
3.2.1 实验装置与挤出方式选择
3.2.2 打印浆料制备与表征
3.2.3 打印基底选择与表面处理
3.3 直写打印过程研究
3.3.1 挤出流量研究
3.3.2 硅泡沫打印参数确定
3.3.3 硅泡沫样品结构选择
3.4 高温平台辅助制备硅泡沫
3.4.1 塌陷程度的改善
3.4.2 固化工艺对样品力学性能的影响
3.4.3 硅泡沫样品力学性能测试
3.4.4 样品结构的扩展
3.5 高温平台辅助直写工艺的限制
3.5.1 加热基底热传导的限制
3.5.2 挤出方式的限制
3.6 本章小结
第四章 二氧化碳激光辅助直写打印硅泡沫研究
4.1 引言
4.2 实验装置
4.2.1 激光器选择
4.2.2 打印系统介绍
4.3 激光器参数说明与实验准备
4.3.1 激光功率与控制参数之间的关系
4.3.2 基底材料与表面处理
4.4 打印参数确定与性能表征
4.4.1 固化/挤出参数确定
4.4.2 硅橡胶线条性能表征
4.5 激光辅助直写温度场分布仿真
4.5.1 导热微分方程
4.5.2 边界条件
4.5.3 热源模型
4.5.4 温度场仿真分析
4.6 激光辅助硅泡沫打印
4.7 本章小结
第五章 结论与展望
5.1 主要结论
5.2 展望
参考文献
致谢