微噴射型三維打印系統(tǒng)的關鍵成型工藝技術研究.pdf

1、微噴射型三維打印制造技術具有成型速度快、運行成本低、適用材料廣、適用于辦公室環(huán)境等諸多優(yōu)點，是增材制造領域中技術發(fā)展最快、最具有市場競爭力且最有希望面向工業(yè)制造進行普及的技術分支之一。但由于起步晚，我國針對該技術的研究較國外先進水平存在明顯的差距，這就造成了如今國內(nèi)的微噴射型三維打印系統(tǒng)市場被國外廠商全面壟斷的局面。此類進口的三維打印系統(tǒng)不但設備價格高昂，其日常運行所使用的專用成型材料的售價更是讓國內(nèi)中小型制造企業(yè)無法承受?；谝陨系谋?/p>

2、景，本文實現(xiàn)了以“優(yōu)化成型工藝，提高三維打印質(zhì)量”為技術思路的微噴射型三維打印系統(tǒng)開發(fā)流程。從三維打印技術最基礎的成型工藝——“微滴噴射”開始，本文依次研究了“液滴與粉床相互作用”、“粉末粘結”以及“薄粉層鋪制”這些構成三維打印制造過程的關鍵成型工藝。并對相關工藝提出優(yōu)化建議以達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”的開發(fā)研究。最后還利用該自開發(fā)的裝備系統(tǒng)及軟件進行了“基

3、于三維打印技術制造功能部件”的研究，成功實現(xiàn)了高性能氧化鋁/硼硅酸鹽玻璃復合材料功能部件的制造。
　　第二章開發(fā)了一種結構緊湊的薄型氣動膜片式噴頭單元，可以通過多個單元的組合形成陣列噴頭，大大提高噴射效率來服務于三維打印制造工藝研究。本章還對薄型氣動膜片式噴頭單元的噴射過程從受力平衡、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理。最后，針對該噴頭單元進行“微噴射實驗”，利用機器視覺和數(shù)字圖像處理的方法

4、記錄不同噴射條件所對應的液滴噴射參數(shù)（液滴大小和速度）。
　　第三章首先針對液滴與粉床相互作用效應進行了理論研究，并以此為指導，從能量轉(zhuǎn)化視角對噴射參數(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)量帶來的影響做出了假設。然后，根據(jù)第二章中的“微噴射實驗”的記錄結果合理地對薄型噴頭單元設置噴射條件，選擇具有合適噴射參數(shù)的液滴去轟擊粉床進行沖擊實驗，從而研究噴射參數(shù)、粉床參數(shù)對液滴/粉床相互作用效應以及對三維打印

5、制件質(zhì)量的影響，實驗結果和上述“能量假設”具有較好的一致性。最后，通過實驗結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，針對噴射優(yōu)化建議還通過實驗提出了噴射優(yōu)化措施。
　　第四章旨在通過鋪粉工藝研究來提出滿足粉床參數(shù)優(yōu)化建議的鋪粉優(yōu)化措施。通過鋪粉工藝實驗，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、論工具來描述鋪粉過程中粉體的粉末行為。利用該鋪粉理論框架，本章還對上述鋪粉實驗中的諸多實驗現(xiàn)象與結果進行了解釋，更從理論角度對“雙鋪粉”方法相較于傳統(tǒng)鋪粉方法的優(yōu)勢進行了論證。
　　在第二至四章的工藝優(yōu)化研究指導下，論文第五章實現(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），并開發(fā)了具有三層功能模塊結構的三維打印裝備系統(tǒng)。
　　為了檢驗本文基于關鍵成型工藝研究而開發(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、“脲醛樹脂粉末粘接劑”為核心的基材粉末粘結原理，借助第五章中自開發(fā)的三維打印裝備系統(tǒng)及控制軟件來打印 Al2O3胚體。Al2O3胚體再經(jīng)過精心設計的“燒結”及“硼玻璃-熔融滲透”后處理工藝，最終轉(zhuǎn)化為氧化鋁/硼玻璃復合材料。該復合材料制件具有很好的力學性能：抗拉強度為86.7MPa、抗彎強度為200.7MPa、抗壓強度為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