扫描速度对ZrO_2陶瓷膏体3D打印精度的影响

3D打印以其个性化定制的独特优势近年来在医疗修复领域迅速发展,挤出自由成型(EFF)工艺通过陶瓷膏体的分层堆积可以实现陶瓷义齿的定制化3D打印.以氧化锆为原料进行EFF系统的挤出成型工艺研究,主要从挤出丝、片层、立体模型3个方面探究了扫描速度对ZrO_2陶瓷膏体3D打印尺寸精度的影响.结果表明:扫描速度与打印制件精度的匹配存在最佳值,过快或过慢的扫描速度都不利于陶瓷膏体的成型;当扫描速度V_s=2 mm/s时打印的挤出丝、片层、立体模型尺寸误差小,打印精度较高.     

3D打印工艺参数对组织工程支架微观结构的影响研究

挤出式3D打印是制备组织工程支架的重要技术手段之一.一个性能良好的组织工程支架必须具备小孔隙、高孔隙率的内部微观结构.针对挤出式3D打印支架成形动态过程,建立了打印材料成形过程热-力耦合动力学模型,并通过数值模拟研究了主要打印工艺参数对支架成形的孔隙尺寸、材料重熔特性的影响.结果表明,支架的孔隙尺寸随打印时间间隔和材料粘度的增大而增大,但随基板温度的升高而降低;支架重熔度与孔隙尺寸变化趋势相反;其中材料粘度的变化对成形支架的孔隙尺寸和重熔度的影响最为明显.     

微滴喷射3D打印尺寸建模与数值模拟

形貌尺寸是影响微滴喷射3D打印微结构精度的重要指标,主要受材料自身特性及打印工艺参数的影响,其中打印速度、加速度等为可控工艺参数.本文以微滴喷射打印直线轨迹为研究对象,建立了速度、加速度对打印尺寸及微滴沉积位置的预测模型,并通过数值仿真进行了验证.结果表明,所建模型能对3D打印尺寸及微滴沉积位置进行较为准确的预测,其中尺寸预测精度达6.07%、位置偏差预测精度为2.69%.研究结果可为微滴喷射3D打印尺寸控制提供理论和实际参考.     

基于接触电阻加热的玻璃熔融沉积型3D打印系统

针对目前玻璃3D打印存在的打印模型不透明、打印效率低和打印成本高等不足,提出并构建了一种基于接触电阻加热的玻璃熔融沉积型(fused deposition modeling,FDM)3D打印系统.根据加热电阻模型确定了接触电阻与温度的关系,并搭建了基于接触电阻加热的3D打印系统,通过试验研究了加热温度、扫描速度和高温黏度等关键工艺参数对玻璃3D打印成型效果的影响规律.选择合适的工艺参数,可得到理想的沉积效果,并打印出几乎完全透明的不同形状的玻璃零件,这为玻璃3D打印提供了一种有效的打印方式以及为其参数选取提供了参考.这套设备体积小、成本低,是一款消费级的桌面玻璃3D打印系统.     

过程参数对熔丝成型产品结合颈的影响

熔丝成型(fused filament fabrication,FFF)是当今应用最广泛的增材制造技术之一.FFF产品相邻挤出材料丝之间的结合颈对其成型质量有重要影响,并随过程参数的改变而明显变化.针对不同过程参数对结合颈的影响进行了实验与理论研究.根据部分析因设计制备了不同过程参数下的FFF样件,利用扫描电子显微镜完成结合颈的实验研究,并建立了结合颈的理论模型.结果表明:过程参数对样件结合颈有一定的影响;适当降低打印速度或增加挤出温度、挤出宽度、打印层厚度及填充率,结合颈增大,但改善效果有限,理论模型准确可靠.     

薄壁陶瓷零件的挤出冷冻3D打印工艺

挤出冷冻3D打印工艺是一种适合于陶瓷零件的成型工艺.该工艺用于薄壁陶瓷零件成形时,由于这类零件空间结构支撑薄弱,在打印成型过程中极易发生变形,因此用ZrO_2膏体对薄壁陶瓷零件的挤出冷冻3D打印工艺进行了研究,探讨了薄壁中挤出体构成层数和薄壁倾斜角度对零件成形精度的影响.结果表明:同样的陶瓷零件,薄壁构成层数越多,零件的精度越高,可成形角度越大,但是成形效率大大降低.一般薄壁零件可采用二层挤出体的薄壁构成,在单挤出头无支撑的情况下可以在-20°～20°的倾斜角度精确成形.当零件要求更高的精度和倾斜角度更大的设计时,可以采用三层的薄壁构成.     

基于稳健设计的熔融堆积成型工艺参数的优化

针对熔融堆积成型工艺的尺寸精度和翘曲变形两个指标,选择线宽补偿(A)、挤出速度(B)、填充速度(C)、层厚(D)四个工艺参数作为控制因子,采用稳健设计和模糊综合评判相结合的方法优化熔融堆积成型工艺参数.优化结果表明,工艺参数对指标影响的显著性程度的主次顺序为A、B、D、C,最佳工艺参数的组合方案为A1B1C2D3.     

双螺杆多材料3D打印挤出机构设计与仿真分析

针对目前3D打印单一材料不能完全满足应用性能要求的现状,设计出一种双螺杆挤出式3D打印多材料的混合打印机构,用于高固含量陶瓷浆料的挤出成型。通过对双螺杆的重要参数进行设计和计算,实现了双螺杆机构的小流率稳定挤出。使用ANSYS的POLYFLOW模块对螺杆转速1～15 r/min下流体的流变特性进行仿真分析,得到整个流道压力场、速度场和剪切速率场的分布规律,仿真结果表明出口流率范围为0.66～6.48 mm³/s,打印速度为2～23 mm/s,适合陶瓷浆料挤出成型。同时对打印机构的混合性能进行评估,得出不同螺杆转速下的材料组分分布,并采用示踪粒子法得到粒子的停留时间分布函数和累积停留时间分布函数;结果表明,螺杆转速越高,其轴向混合能力越弱,自洁能力越强。所设计双螺杆挤出机构可以满足低转速小流率的高精度打印,实现多种材料变组分的实时混合和精准打印。     

纤维增强3D打印混凝土受剪破坏数值模拟

为评估3D打印建筑结构可靠度,利用纤维增强混凝土多尺度耦合数值分析平台,对纤维增强3D打印混凝土部件受剪破坏行为展开数值模拟。根据成型方式与打印材料组合设置不同算例,着重比较部件的破坏方式与抗损性能。模拟结果表明:添加纤维能显著提高混凝土裂后韧性;受制于薄弱的层间粘结,普通3D打印混凝土抗剪能力逊于一体浇筑成型混凝土;通过使用纤维对层间界面进行强化,打印成型混凝土的抗损性能可获得明显改善。数值模拟为提高3D打印建筑结构可靠性提供了理论思路。     

应用DOE方法分析和优化3D打印零件的翘曲变形量

以聚乳酸材料的FDM(fused deposition manufacturing)成型零件的翘曲变形分析为例,对3D打印零件变形进行了理论模型的建立和研究,初步分析了堆积层数、堆积层厚度等参数对零件发生变形的影响,筛选出3D打印零件发生变形的重要因子.应用试验设计(DOE)方法对这些重要因子进行试验分析,确认了3D打印零件发生翘曲变形的关键因子,借助响应优化模型和线性回归方法进而优化打印的工艺参数,这样可以减少3D打印零件的变形程度和3D打印的试验成本和时间.     

电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律

电流体动力喷射3D打印是一种新型微纳增材制造技术,它具有成本低、结构简单、精度高、打印材料广泛等突出特点和优势.但是,由于电流体动力喷射3D打印的打印速度快、喷嘴和基底打印距离小,特别是对于微尺度特征图形的打印,其实际图形及打印质量难以直接观测,而且影响打印图形精度和质量的工艺参数较多,各个工艺参数相互耦合和相应作用.因而直接有效的控制打印图形的精度(线宽)和质量(线边缘粗糙度)是其面临的一个挑战性难题.本文提出一种通过调整打印工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸,进而实现对于打印图形精度和质量有效控制的新方法.建立了线宽与工艺参数、材料性能和基底关系的理论模型;通过实验,系统研究并揭示了电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响及其规律;优化出针对同一喷嘴较为理想的喷印工艺窗口;并通过典型实验工程案例研究,采用内径60μm喷嘴实现了最小线宽3μm打印,验证了实验研究结果的正确性和有效性.本文提出的方法和实验研究结果为电流体动力喷射3D打印的打印精度、图形质量和打印稳定性改进及提高奠定了基础,并为简化和易于操作提供了一种切实可行的方法.     

气溶胶喷射打印系统成形宽度影响因素分析

在分析气溶胶喷射打印技术工作原理的基础上,利用商用压电陶瓷雾化片和自行设计制造的喷印头,构建出由气溶胶喷射打印装置、温度控制装置和运动控制装置3部分构成的气溶胶喷射打印系统。以纳米银导电油墨为对象,采用单参量对比实验分析法,研究鞘气流量、载气流量、喷嘴与衬底间距、打印速度、打印层数等因素对打印成形宽度的影响。结果表明:随着载气流量增大、层数增加,纳米银导电油墨沉积成形宽度增加;在实验参数范围内,载气流量和打印层数对成形线宽影响明显,且呈正相关;线宽随着鞘气流量的增大先减小后增大;喷嘴与衬底间距在15~45 mm范围内对线宽无明显影响;在喷嘴直径为200 μm,鞘气流量为50 mL·min-1,载气流量为3 mL·min-1,喷嘴与衬底间距为3 mm,衬底移动速度为3 mm·s-1,打印层数为6～8层,加热板温度为80 ℃时,可获得最小宽度为26 μm,高度为7 μm的均匀线条,这也是纳米银导电油墨喷射打印的最优工艺参数。     

基于FDM技术的多料口粒料3D打印 供料及挤料系统设计

FDM 3D打印机多采用由颗粒状热塑性材料加工而成的丝状热塑性材料,材料成本较高,且由于材料本身丝状的几何形状难以实现均匀混合,使得FDM彩色混色3D打印技术具有一定的局限性,难以实现多色混色打印。针对以上问题,根据传统挤出技术并结合熔融沉积(FDM)技术特点,研制了粒料式FDM 3D打印设备供料及挤出系统,原材料直接选用颗粒状塑料,并设计了多个进料口、储料仓和排气螺杆,进料采用穴播轮控制方式。设计结果可以实现不同颜色、不同塑料进料量的合理配比,使颗粒塑料实现充分熔化、加压、均化、排气、再均化、挤出过程,实现均质材质的粒料3D打印过程及多色混色打印过程。所提出的设计可以使用粒料直接进行3D打印,既降低了制料成本、缩短了制料周期,又实现了废料的有效利用,可为3D打印技术的发展提供参考。     

基于倾斜摄影的混凝土3D打印成型精度分析与预测

混凝土3D打印技术是一项新型的增材制造技术,为了实现采用混凝土3D打印技术来快速打印高质量的成型构件,综合利用迭代最近点(iterative closest point, ICP)算法和倾斜摄影测量技术来分析3D打印构件的整体偏差、局部边界偏差和圆弧角半径,并根据整体偏差和边界偏差对成型精度及可建造性进行研究,最后利用边界偏差和圆弧角半径对打印模型进行预测。结果表明：在混凝土3D打印配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶减水剂∶混凝剂∶水=1∶1.12∶0.09∶0.004∶0.006∶0.32,打印速度V_d为45 mm/s,最佳挤出速度V_j为138 mm/s时构件成型精度最高;对倾斜摄影模型拟合对齐,并对其具体位置偏差标注色谱图,可知混凝土3D打印构件在第4层时压缩变形较大,可建造性较低;利用预测模型与混凝土3D打印实体构件进行拟合,可知预测模型与基准模型相比误差约1 mm,验证了所提方法及预测模型的合理性。     

增材制造:印刷电子和3D打印技术

 增材制造作为智能制造的一部分已经被科研及工业界广泛关注。印刷电子和3D打印是两个典型的增材制造技术案例。在锁定增材制造的前提下,本文着重介绍了这两项技术的工艺发展历史和现状;通过对电子和光电器件的可印刷结构和性能的综述,引申出对增材制造工艺和功能性材料进一步优化的实际需求。这一生产工艺和材料系统的同时优化和创新将最大限度地发挥增材制造优势,从而促进应用市场的开发,加速中国制造2025的进程。     

3D打印机喷头及工作台振动响应特性分析

寻找高效率、高精度、低成本的陶瓷3D打印机是3D打印技术在陶瓷材料应用方面非常重要的一部分。以柱塞式陶瓷3D打印机为研究对象,建立运动轴简化模型,并利用ANSYS Workbench软件分析柱塞式陶瓷3D打印机运动轴在单轴运动及多轴联动时,喷头及工作台的振动等动态响应数据,并通过打印样件实验,验证了喷头不断变换打印方向时,运动轴启停所造成喷头和工作台的振动,及工作台在下降打印层高时的振动对打印精度的影响微小,运动轴结构稳定,可保障打印精度。     

石墨烯基墨水的制备及其在印刷电子中的应用

 石墨烯材料具有优异的导电性、柔性、化学稳定性等特征,在印刷电子领域中具有广阔的应用前景。概述了石墨烯材料的宏量制备方法,结合喷墨打印、丝网印刷和3D打印等方法介绍了石墨烯墨水制备的技术特点和要求,展示了石墨烯在印刷电子功能器件中的应用,主要类型包括透明导电薄膜、柔性电路、超级电容器和可穿戴传感器等。总结了该领域当前研究进展中存在的问题和挑战,从材料设计、加工制备和器件应用方面进行了展望。在未来发展中可通过丰富石墨烯打印线路的结构形式,并注重利用组装的策略增强结构有序性,实现多功能、高性能的器件制备和应用。     

用于梯度分布材料 3D 打印实验设备的开发

传统工艺制作梯度材料十分困难, 为此, 设计开发了用于梯度分布材料的 3D 打印工艺与实验设备,包括梯度建模、 控制系统及打印机械装置。 基于图像灰度变化, 建立了材料成分梯度的建模方法。 基于运动控制器设计了包括 X、Y、Z 三维空间位置轴和 U、V、W 3 种材料挤出轴的 6 轴联动系统, 具有运动轨迹规划及连续插补等功能。 开发了控制系统软件和硬件, 实现了材料比例输送与三维运动协调控制。 采用活塞挤出、 动态混合及直线三维平台设计, 构建了 3D 打印机械装置。 使用开发的实验设备, 采用不同颜色材料进行了梯度分布打印试验, 验证了开发实验设备打印梯度分布材料的可行性。     

不同胶体对马铃薯淀粉基材料3D打印特性的影响

为了探讨添加不同食品胶体对马铃薯淀粉凝胶3D打印特性的影响规律,研究了3种胶体的马铃薯淀粉凝胶体系结构和打印特性。以马铃薯淀粉和大豆分离蛋白的糖基化产物作为基础原料,添加明胶、结冷胶和可得然胶作为结构改良剂,采用扫描电镜观察、红外光谱分析、流变仪检测等方法系统分析了不同胶体对马铃薯淀粉凝胶的流变特性、稳定性和质构特性等的影响。研究结果表明:与马铃薯淀粉凝胶相比,马铃薯-明胶、马铃薯-结冷胶和马铃薯-可得然胶复合凝胶硬度分别比马铃薯淀粉凝胶升高了390%、233%、469%,说明胶体的添加可有效提高马铃薯淀粉凝胶的机械强度;3种胶体中,马铃薯-明胶复合凝胶体的储能模量、损耗模量降低最为明显;添加胶体后,3D打印样品的打印直径和高度与贮藏后的直径和高度较为接近,说明胶体的加入显著提升了样品的打印稳定性。通过对比3种不同胶体的添加对马铃薯淀粉凝胶打印特性的影响,发现结冷胶对马铃薯淀粉凝胶的打印特性影响显著,在室温下可长时间存放并保持形状的稳定。研究结果旨在为马铃薯淀粉基材料3D打印的稳定性和精确性的提高,为数字化的食品营养精准设计和调控奠定理论基础。     

矿物掺合料对3D打印水泥基材料力学各向异性的影响

为探究矿物掺合料在3D打印混凝土中的作用机理，研究粉煤灰(FA)、矿粉(S)、硅灰(SF)单掺和复掺对3D打印水泥基材料抗压强度、抗折强度的影响.结果表明：单掺时，打印组和模筑组力学性能的变化规律基本保持一致，粉煤灰和矿粉会降低混凝土的抗压强度和抗折强度，而硅灰则会提高混凝土的力学性能.复掺时，材料力学性能大小顺序为：S+SF>基准组>FA+SF>FA+S.此外，3D打印混凝土的抗压强度无明显各向异性，而抗折强度有明显的各向异性.打印组在x方向的抗折强度比y、z方向低25%～40%,在x、y、z方向的抗折强度比筑模组低10%～30%.