基于木塑复合材料的选择性激光烧结成型机理与多场耦合作用下的成型演化规律

快速原型技术对于缩短新产品的设计评估制造周期具有重要意义，但原材料成本高成为其应用推广的瓶颈。本项目在前期研究基础上，原始创新性提出成本低廉、可降解的、环境友好的生物复合材料-木塑复合材料作为选择性激光烧结原材料，研究不施加外力情况下激光瞬间光照作用下液相烧结过程中木塑复合材料烧结成型机理；研究各组分在烧结过程中对木塑界面结合度的影响及流动、变形、凝固、密化重排等动态演化规律；结合材料特性、温度场及应力场边界条件，研究木塑复合材料在烧结过程中产生的温度场、应力场、变形场的分布及多场耦合作用对结合强度、收缩应力和变形的影响；研究木塑复合材料跨尺度关联下的力学行为；研究后处理过程中加工条件和加工参数对致密度、成型精度、表面质量、强度和韧性等性能的影响，探讨成型件的强化机理。建立木塑激光烧结快速成型相应的数学模型和理论，提高成型件力学性能和使用性能，成果为木塑快速原型新材料的使用提供理论依据。

根据合同书的研究内容和预期成果指标，已完成和超额完成了指标要求，具体如下：.预期指标要求申报发明专利1-2项，现取得发表专利授权2项，另外2项发明专利进入实审。预期成果指标要求在高水平国内外学术期刊或学术会议上发表论文5至8篇，争取3至5篇进入SCI/EI 检索，现发表论文有标注14篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文8篇。预期成果指标要求培养研究生4名，本项目延续期间，培养了9名学生：毕业了博士研究生1名，毕业了硕士研究生3名，出站博士后1名，现有2名在读博士生、2名在读硕士生正在进行木塑材料激光烧结方向的研究工作。.项目持续期间，课题组3人参加了2013年在比利时鲁汶大学举办的国际会议，参加了第14届和第15届全国特种加工学术会议和中国科协的学术交流。课题组邀请美国德州大学奥斯汀分校自由成形制造实验室主任David L. Bourell教授到东北林业大学交流访问，并聘请其作为我校的兼职教授和兼职博士生导师。其任职的实验室于1989年首次提出了激光增材制造（SLS）方法，是国际激光增材制造的首创者，引领国际SLS研究方向。.已完成的理论研究和实验研究包括：设计出以木粉及热熔胶粉为主料并加入其它添加剂的适用于SLS的材料配方，确定了制备工艺流程，研究了材料组分特性及对成型过程和成型精度的影响。确定了最佳加工工艺参数范围，获得了高成型精度的原型件，并进行显微组织分析和力学性能测试，研究了预热温度、激光功率等加工参数对于烧结件性能的影响。研究了木塑激光烧结成型机理，研究了激光束作用机制，给出了烧结过程中激光束能量分布。分析了导热方程及其边界条件。通过有限元仿真试验和分析，研究了不同扫描路径对烧结过程温度场、应力场的影响。应用分子力学和分子动力学的方法，计算了木塑混粉相容性的结合能、混合能和内聚能密度，得到混合性能最好的温度范围和一组最佳配比。探讨了成型件渗蜡作用机理，研究了后处理的工艺流程。后处理后，成型件的空隙率下降8倍，机械性能提高显著，其中抗拉强度是原来的86倍，表面平均粗糙度Ra低于0.013mm。进行了成型件工业应用的研究，采用后处理后的成型件为熔模铸造用的白模，成功铸造钢制零件。课题组还进行了稻壳粉热熔胶粉激光烧结成型研究。