面向3D打印的流體沉積成形過程動力學特性研究.pdf

1、流體沉積成形是一種利用外部擾動驅使流體材料以微滴或微絲的形式噴出或擠出，于基板上逐層堆積固化成型的增材制造技術，根據最小沉積單元的不同（微滴/微絲）分為均勻微滴噴射(UDS)3D打印技術、基于擠出的增材制造技術(E-AM)，易于操作和維護、材料適用范圍廣、制件無需后處理。然而，由于材料從沉積到固化成形是由自由表面流與傳熱相互耦合而成的非線性過程，成形重復精度低。為保證制件的成形精度，必須對成形過程中的每個環(huán)節(jié)（材料離散-沉積-成型）進行

2、精確控制，這就需要研究成形過程動力學特性。因此本文首先建立了噴管流量預測模型，實現(xiàn)噴口流量的精確預測，在此基礎上調控噴頭參數，使噴頭產生大小可控且一致性較好的流體微元；然后，針對均勻微滴噴射3D打印技術，深入研究了微滴初始溫度、基板溫度、碰撞速度等參數對微滴最終外形以及重熔的影響；最后，針對基于擠出的增材制造技術，研究了多孔隙結構件（組織工程支架）的成形機理，并對其孔徑及孔隙率等特征進行了表征。論文主要工作及研究成果如下：
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3、)建立流量模型，調控打印參數。根據噴管的幾何特征、材料的冪律特性建立了噴管流量模型，并在此基礎上針對實際應用建立了系統(tǒng)變量參數模型，實時監(jiān)測噴口流量；然后，通過正交試驗調控噴射參數，使系統(tǒng)連續(xù)產生大小可控、一致性較好的微滴；最后，利用三維仿真模擬微注射過程，通過合理設置基板運動速度，得到了尺寸理想和形狀均勻的微絲，結果表明：流體的冪率指數對流體流變性的影響比稠度顯著，當流體的稠度取較小值、冪率指數取較大值時模型較為準確；一個噴射周期內，

4、合適的擠出量是產生微滴的關鍵，擠出量過多時就會產生衛(wèi)星滴或者直接形成射流，擠出量過少則無微滴產生；打印速度對微絲高度和寬度都會產生影響，且兩個尺寸都隨著速度增大而減小，但對寬度的影響明顯大于其對高度的影響。
　　2)研究多場耦合作用下微滴沉積成形過程動力學特性。建立3D數值模型模擬金屬微滴沉積固化過程，定性分析了微滴的固化時間、固化角與沉積參數之間的關系，建立了固化時間預測模型、固化角解析模型。結果表明：碰撞速度與微滴初始溫度之間

5、的強耦合作用使得固化角呈非單調性變化，重熔深度隨碰撞速度的增加而增加；若要保證固化時間預測模型的準確性，需要根據重熔狀態(tài)調整熱阻修正系數ξ的值；僅當rb/cos（θ/2）的比值為常量時，所構建柱體才能保持直徑的一致性。
　　3)研究微注射成形多孔隙結構的成形機理。通過仿真研究了組織工程支架成形過程的流場、溫度場及孔特征的變化，結果表明：孔隙大小隨支架層數的增加而減小；孔隙高與孔隙大小滿足線性關系；孔隙率大小隨著支架層數的增加并不呈