微噴射型三維打印系統(tǒng)的關(guān)鍵成型工藝技術(shù)研究.pdf

1、微噴射型三維打印制造技術(shù)具有成型速度快、運(yùn)行成本低、適用材料廣、適用于辦公室環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，是增材制造領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展最快、最具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力且最有希望面向工業(yè)制造進(jìn)行普及的技術(shù)分支之一。但由于起步晚，我國(guó)針對(duì)該技術(shù)的研究較國(guó)外先進(jìn)水平存在明顯的差距，這就造成了如今國(guó)內(nèi)的微噴射型三維打印系統(tǒng)市場(chǎng)被國(guó)外廠商全面壟斷的局面。此類進(jìn)口的三維打印系統(tǒng)不但設(shè)備價(jià)格高昂，其日常運(yùn)行所使用的專用成型材料的售價(jià)更是讓國(guó)內(nèi)中小型制造企業(yè)無(wú)法承受?；谝陨系谋?/p>

2、景，本文實(shí)現(xiàn)了以“優(yōu)化成型工藝，提高三維打印質(zhì)量”為技術(shù)思路的微噴射型三維打印系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程。從三維打印技術(shù)最基礎(chǔ)的成型工藝——“微滴噴射”開(kāi)始，本文依次研究了“液滴與粉床相互作用”、“粉末粘結(jié)”以及“薄粉層鋪制”這些構(gòu)成三維打印制造過(guò)程的關(guān)鍵成型工藝。并對(duì)相關(guān)工藝提出優(yōu)化建議以達(dá)到改善三維打印制件成型質(zhì)量的目的。然后再基于工藝優(yōu)化，進(jìn)行了“三維打印裝備系統(tǒng)”及“數(shù)據(jù)處理和控制軟件”的開(kāi)發(fā)研究。最后還利用該自開(kāi)發(fā)的裝備系統(tǒng)及軟件進(jìn)行了“基

3、于三維打印技術(shù)制造功能部件”的研究，成功實(shí)現(xiàn)了高性能氧化鋁/硼硅酸鹽玻璃復(fù)合材料功能部件的制造。
　　第二章開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的薄型氣動(dòng)膜片式噴頭單元，可以通過(guò)多個(gè)單元的組合形成陣列噴頭，大大提高噴射效率來(lái)服務(wù)于三維打印制造工藝研究。本章還對(duì)薄型氣動(dòng)膜片式噴頭單元的噴射過(guò)程從受力平衡、質(zhì)量守恒以及能量守恒角度分別建立控制方程，理論分析了該噴頭單元的微噴射機(jī)理。最后，針對(duì)該噴頭單元進(jìn)行“微噴射實(shí)驗(yàn)”，利用機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理的方法

4、記錄不同噴射條件所對(duì)應(yīng)的液滴噴射參數(shù)（液滴大小和速度）。
　　第三章首先針對(duì)液滴與粉床相互作用效應(yīng)進(jìn)行了理論研究，并以此為指導(dǎo)，從能量轉(zhuǎn)化視角對(duì)噴射參數(shù)、粉床參數(shù)如何影響液滴/粉床相互作用效果，以及由此給三維打印制件質(zhì)量帶來(lái)的影響做出了假設(shè)。然后，根據(jù)第二章中的“微噴射實(shí)驗(yàn)”的記錄結(jié)果合理地對(duì)薄型噴頭單元設(shè)置噴射條件，選擇具有合適噴射參數(shù)的液滴去轟擊粉床進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，從而研究噴射參數(shù)、粉床參數(shù)對(duì)液滴/粉床相互作用效應(yīng)以及對(duì)三維打印

5、制件質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述“能量假設(shè)”具有較好的一致性。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出了有利于提高三維打印制件質(zhì)量的粉床參數(shù)優(yōu)化建議和噴射優(yōu)化建議，針對(duì)噴射優(yōu)化建議還通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了噴射優(yōu)化措施。
　　第四章旨在通過(guò)鋪粉工藝研究來(lái)提出滿足粉床參數(shù)優(yōu)化建議的鋪粉優(yōu)化措施。通過(guò)鋪粉工藝實(shí)驗(yàn)，證明了“雙鋪粉”方法相比傳統(tǒng)的“逆轉(zhuǎn)輥”鋪粉法可以將小粒徑的粉末材料鋪制成層厚更薄致密度更高的粉層。本章還創(chuàng)新性建立了“鋪粉理論框架”，它可以作為理

6、論工具來(lái)描述鋪粉過(guò)程中粉體的粉末行為。利用該鋪粉理論框架，本章還對(duì)上述鋪粉實(shí)驗(yàn)中的諸多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果進(jìn)行了解釋，更從理論角度對(duì)“雙鋪粉”方法相較于傳統(tǒng)鋪粉方法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了論證。
　　在第二至四章的工藝優(yōu)化研究指導(dǎo)下，論文第五章實(shí)現(xiàn)了一種三維打印數(shù)據(jù)快速處理方法（基于SSL格式文件），并開(kāi)發(fā)了具有三層功能模塊結(jié)構(gòu)的三維打印裝備系統(tǒng)。
　　為了檢驗(yàn)本文基于關(guān)鍵成型工藝研究而開(kāi)發(fā)的整套三維打印系統(tǒng)的性能，論文第六章基于一種全新的以

7、“脲醛樹(shù)脂粉末粘接劑”為核心的基材粉末粘結(jié)原理，借助第五章中自開(kāi)發(fā)的三維打印裝備系統(tǒng)及控制軟件來(lái)打印 Al2O3胚體。Al2O3胚體再經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的“燒結(jié)”及“硼玻璃-熔融滲透”后處理工藝，最終轉(zhuǎn)化為氧化鋁/硼玻璃復(fù)合材料。該復(fù)合材料制件具有很好的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度為86.7MPa、抗彎強(qiáng)度為200.7MPa、抗壓強(qiáng)度為1503.4MPa、楊氏模量為278.7GPa、維氏硬度為14.1GPa以及斷裂韌性為4.2MPa·m1/2，并且也具