快速成形技术从诞生至今,一直以较快的速度获得发展.目前的快速成形技术正在从起初的技术定向向应用定向转变,这对于每一种快速成形技术而言,针对各自工艺的特点,选择其正确的发展方向是至关重要的。 基于热塑性高聚物的熔融堆积成形工艺以其材料性能的优越性、使用范围的广泛性以及在新兴领域的应用潜在性,备受业界和研究机构的重视。由于采用熔融挤出堆积工艺制作的原型较其它快速成形工艺具有更好的性价比,这使其成为发展最迅速的一种成形工艺.但是目前的熔融堆积成形技术在成形速度、材料选择范围、原型制作质量的完整性以及新兴领域的应用方面仍存在不足,需要继续改进和提高.其发展瓶颈具体体现在两个方面,即:如何推陈出新,开发出成形速度更快,使用范围更广,且能够顺利挤出粘度更大直径更小的熔融丝材的喷头装置；如何通过成形工艺的改进和提高,来提高已有成形装置的原型制作质量,实现成形由普通原型向功能零件的转变。这些瓶颈的突破将对熔融堆积成形工艺本身的继续存在、获得发展和不断完善具有重要意义。 鉴于目前熔融堆积成形技术面临的问题,结合快速成形技术的发展方向,本文首先针对熔融堆积成形中使用的喷头装置的不足,提出并设计了一种新颖的基于颗粒体材料送进的高速螺旋挤压喷头装置。同时,还需要兼顾原型制作质量的完整性,实现由单纯普通原型的堆积向制造功能零件的转变。因此在微观和宏观上提高熔融丝材的堆积质量是必须和必要的,这需要对熔融堆积成形的工艺理论进行系统地研究。根据这一主体研究思路,全文的主要研究工作如下:(1)颗粒体进料的微型螺旋挤压堆积喷头的设计综合考虑现有喷头技术的特点和不足,针对FDM工艺发展的新要求,提出一种基于颗粒体材料的微型螺旋挤压堆积喷头.并且系统地研究和提出了针对小型化螺杆的一套可行的参数化设计方法和新颖的推杆凹槽的送料方式.通过对装配好的喷头装置的挤出试验,证明采用颗粒体进料的螺旋挤压堆积喷头的技术是可行的。在出丝速度、压力的提升潜力和“流涎”的减小方面均达到了预期的目标,该喷头装置具有良好的应用前景。 (2)熔融堆积工艺参数对挤出丝材粘结质量影响的热学分析堆积丝材间的粘接质量直接影响着堆积原型的机械力学性能.根据ABS-P400丝材的热学参数和商用FDM2000成形机的成形参数设置,通过对丝材堆积物理条件的合理假设,结合丝材热粘结的机理分析,建立了挤出丝材温度变化规律的数学模型和丝材堆积温度场的有限元模型,同时对直接影响丝材粘结质量的工艺参数进行了定量的研究,并分析了对丝材粘结有间接影响的相关因素。理论分析和有限元仿真的结论为新喷头的开发提供了理论依据,为提高丝材间的粘结质量指明了方向。 (3)熔融挤出丝材的堆积过程分析降低丝材的堆积空隙和提高丝材堆积的均匀性是确保原型成形质量的关键。 根据熔融堆积成形的特点,将一段路径的丝材堆积划分成五个阶段,对丝材堆积的质量问题分别从工艺参数的设置、原型截面的几何特点和出丝速度与扫描运动速度的耦合三个方面进行了研究,并分析了堆积的拉丝缺陷问题,进而针对成形过程中易出现的质量缺陷提出了改善丝材堆积的具体方法.根据已堆积丝材的截面特征,将丝材堆积分成稳态堆积和暂态堆积两种方式,并给出了颗粒体送料的螺旋挤压堆积喷头的控制模型。 (4)熔融堆积成形中原型翘曲变形的研究针对影响FDM原型尺寸精度的翘曲变形缺陷,分析了原型变形产生的根源及其作用机理,建立了原型的翘曲变形模型,同时定量地分析了各种工艺参数,包括堆积层数,截面长度,环境温度和材料的线收缩率对原型变形的影响。分析结果合理地解释了熔融堆积成形过程中出现的一些现象,并结合研究实例提出了减小原型翘曲变形的相应措施。 (5)FDM原型的表面精度研究围绕如何改善和提高FDM原型表面精度的问题,研究了FlDM原型表面粗糙度的产生机理,推导出原型表面粗糙度的计算模型,并对原型表面粗糙度实测值与计算值间误差的成因进行了分析。基于成形工艺参数的设置原理和特殊的原型后处理工艺方法,提出了有针对性地减小FDM原型表面粗糙度的具体措施。