生物墨水挤出打印成型精度评价方法概述

为了推动挤压生物3D打印结构精度的提升，介绍了以水凝胶为代表的生物墨水挤压打印原理及相关数学模型.针对打印精度的影响因素，从结构设计、生物墨水特性、打印设备及工艺参数三方面进行系统分析，总结各参数对打印精度的作用.按照定量评价方法所涉及参数的维度归纳总结并分析不同方法的优缺点，从仿真预测、克服材料力学行为、辅助打印等方面提出研究思路，为后续挤压生物3D打印技术的进一步发展提供参考.     

巧克力3D打印机的机械结构设计

针对当前巧克力3D打印机连续送料难、打印精度低等问题,对现有的各类巧克力3D打印技术进行研究,改善了巧克力3D打印机的机械结构,设计出一款具有连续供料装置的高精度巧克力3D打印机.打印机采用笛卡尔坐标系控制打印喷头的运动,以提高打印精度.此外,采用旋转螺杆代替传统活塞进行送料以保证打印的连续性,并在供料箱和打印喷嘴处设置加热装置用以控制巧克力温度.     

柱坐标式FDM 3D打印机的研制

针对基于笛卡儿坐标系的熔融沉积成型(fused deposition molding,FDM)3D打印机打印旋转体精度低,且速度慢等问题,设计开发了一种基于柱坐标系的FDM 3D打印机.其成型原理和机械结构都借鉴了传统的FDM 3D打印机,并在此基础上将基于笛卡儿坐标系的运动方式改为基于柱坐标系的运动方式.相较于传统FDM 3D打印机,在使用相同的硬件(包括电机、喷头、打印丝材)配置情况下,该设备打印旋转体模型时可以实现更高的打印精度,在某些情况下可以实现更快的打印速度.     

模型引导与视觉分析相结合的3D打印产品质量检测方法

针对3D打印产品个性化程度高的特点,普通的产品质量检测方法并不适用.对3D打印额面肿瘤导板导向孔,为取得更高精准的检测,提出了一种模型引导、机械系统配合、视觉系统监控相结合的质量检测方法.整个方法框架包括机械系统、控制模块、视觉模块,在检测算法的统一调度下实现3D打印额面肿瘤导板导向孔精度检测.首先,利用导板和相应三维模型上对应的各3个不共线点对齐导板和模型.然后,根据三维模型上的导向孔位置和方向,控制机械系统引导模型导向孔移动到视觉模块的中心,通过分析导向孔的圆度、长宽比、直径、孔心间距等特征参数,判断导向孔是否合格.结果表明:该算法和系统,相比于人工质量检测,缩短了检测周期,提高了检测精度.提出的算法框架可用于其他3D打印产品与模型的形状一致性检测.     

基于机械臂3D打印的两种常用材料性能研究

ABS和PLA是3D打印常用的两种塑料耗材,均应用广泛,但易混淆.以3D打印风能发电装置模型为例,在机械臂3D打印系统的基础上,利用三维建模软件UG NX和对应的Studio控制软件,分别采用ABS和PLA耗材对模型进行3D打印,并对产品的打印温度、打印特性(功能)、打印产品的结构和强度进行分析比较.结果表明:3D打印较薄和受冲击力大的产品时,打印材料优先考虑使用ABS;敞开或密闭不严的空间,打印材料优先考虑PLA,这是因为ABS较PLA材料遇冷易收缩.研究结果为今后3D打印材料的优化选择和研究提供了参考.     

先驱体陶瓷材料3D打印机螺杆挤出装置的设计与优化

针对陶瓷材料硬脆性带来的难以切削加工技术瓶颈,开发了一种可用于3D打印先驱体陶瓷材料的工艺——热固沉积成型工艺(thermo-setting modeling,TSM),基于此工艺,设计并优化了先驱体陶瓷材料3D打印机螺杆挤出装置.首先,确定了先驱体陶瓷材料配比并进行材料性质测试,提出热固沉积成型工艺.其次,设计了先驱体陶瓷材料螺杆挤出装置并进行初步打印实验.再次,通过ANSYS Fluent仿真分析螺杆挤出装置在打印过程中内部流场的变化情况并为优化设计提供依据.最后,对螺杆挤出装置进行优化设计,为了得到更高的打印精度,将原有的0. 6 mm喷头直径缩小至0. 5 mm;仿真分析发现,将螺杆转速由40 r/min提高至60 r/min,螺杆外径与机筒内壁的间隙由0. 50 mm缩小至为0. 25 mm,可使打印效率提高49. 1%,并通过打印实验进行验证.结果表明,该螺杆挤出装置能够满足3D打印精度和效率要求并能打印出形状复杂的先驱体陶瓷零件,为陶瓷材料零件的成型加工提供了一种途径和方法.     

生物3D打印装置及打印模型形貌检测

为了能够实时观测生物3D打印全过程,并对打印模型的形貌进行检测及重建,设计集成式生物3D打印机检测系统. 通过开发具备视频监测功能的打印喷头,实现对打印模型的在线检测. 采用色散共焦位移测量技术,通过对打印模型X、Y轴的位置信息及Z轴的高度信息进行扫描得到测量数据,并结合MountainsMap实现打印模型的形貌重建. 使用LabVIEW完成上位机操作系统的设计,建立G-code与打印模型的映射关系,实现打印轨迹的可视化,确保在程序运行到当前代码段时打印模型的准确性. 通过实验验证生物3D打印机的在线检测功能,对网格状及凸台模型的表面进行形貌检测,结果表明检测系统能够实现对打印模型的形貌检测. 打印模型表面形貌特征的可视化数据为构建精准打印模型提供数据支持,计算机视觉技术为高精度生物3D打印提供有效的检测手段.     

3D打印混凝土的等效单元法有限元模拟

针对3D打印混凝土自身的层面特征和各向异性的力学性能,目前尚缺少有效的数值模拟方法对3D打印混凝土进行力学性能分析的现状,基于变形条件和力学平衡条件,推导出了3D打印混凝土各向异性等效单元的线弹性本构模型,并基于剪应力互等定理给出了3D打印混凝土的层面应力计算方法。以100 mm×100 mm×100 mm的3D打印混凝土立方块体为研究对象,利用ANSYS有限元软件对3D打印混凝土立方块体进行了受力性能的数值模拟分析。结果显示：采用等效单元法得到的单元网格数量减少了64倍,位移结果的整体误差能够控制在1%以内,计算效率提高了430多倍。通过本文研究,采用等效单元法实现了具有层面特征的各向异性3D打印混凝土的有限元模拟分析,能够保证计算精度的前提下大幅度提高计算效率。     

基于热力学分析的FDM3D彩色打印喷头结构优化

基于FDM3D打印技术的前提下，利用品红黄蓝三原色配色原理设计了用于彩色3D打印配色的五进一出打印喷头。针对于熔融沉积3D打印，打印头在打印过程中存在热结构和分布的不合理会影响整个打印过程的精度和打印件的质量。采用热力学分析方法对于设计的五进一出打印喷头的结构进行分析优化，可以更加直观地观测到打印过程中喷头的温度分布，验证了五进一出打印喷头结构的合理性，为基于FDM的彩色3D打印提供了技术理论支持。     

基于骨骼肌仿真的3D打印支撑结构

为了保证可打印三维模型中空结构具有足够强度与节省材料,基于仿骨骼肌结构特性对3D打印模型内部支撑结构进行研究.用分水岭算法对将单层骨骼截面图像进行处理并在可打印分层结构上与目标模型进行拼接与图形优化,经由Matching Cube算法还原三维模型.经过仿真计算,输出所需带内部支撑结构的可打印模型.实验分析表明:该方法可以增加对模型指定方向的受力强度,对保证结构强度、节约打印材料有较好的实际意义与理论研究价值.     

桌面级FDM高精度3D打印机的设计

FDM3D打印机以其成本优势一直受到各行业的欢迎,但是也由于其打印精度不高而带来诸多问题。本文设计出了一款以Core XY结构为打印行走平台的桌面级FDM3D打印机,该打印机打印空间利用率更高,行走平台结构更为轻巧,减去了X轴步进电机的质量,从而极大解决了打印过程中大惯性所带来的问题,面对细小部位打印能够更加精细,进而提升打印的成型精度。     

双色巧克力3D打印机的设计

针对目前巧克力3D打印机打印颜色单一、连续挤出料难、打印精度低等问题,本文对现有的巧克力3D打印机机械结构进行了分析和改进,设计出了一种能够持续供料、双色打印的高精度巧克力3D打印机。挤料箱部分采用螺旋推杆的进给方式来挤出原料,实现连续不断输送原料。在挤料箱、软管和喷头上都装有加热装置,并运用PID算法控制温度的恒定。喷头设计成具有独立控制开关的两个出料孔的一体式单喷嘴。为了提高打印精度,挤料机构固定在机架上,而喷头固定在运动机构上,减少了运动惯量。     

面向光固化3D打印技术的汽车车身整体化制造及层厚优化

针对油泥模型技术所普遍存在的制造周期长以及精度难以控制的问题,将光固化3D打印技术运用于汽车车身整体化制造中.实验结果表明:3D打印技术可使工作周期压缩至几天,并且适合于对产品外型进行有效评估,提高汽车车身整体化制造的效率,最终降低企业研发成本.借助UG和Magics软件,提高设计参数选择的灵活性,实现汽车车身的三维建模以及STL文件的导入.基于影响成形件精度的因素有光斑直径、扫描间距、扫描速度、分层厚度等,根据汽车车身轮廓以曲线为主的特征,推导出基于贝塞尔曲线的最佳分层厚度计算方法,达到层厚优化的效果.     

汽车自适应巡航跟车多目标鲁棒控制算法设计

为满足自适应巡航系统跟车模式下的舒适性需求并且兼顾车辆安全性,基于模型预测控制原理提出一种多目标鲁棒跟车控制算法.建立考虑前车加速度干扰的自适应巡航系统车间纵向运动学模型,该模型可全面反映系统的动态演化规律,提高模型的精度和可靠性;针对自适应巡航系统需求进行目标分析,设计一种考虑舒适性和安全性的多目标模型预测控制算法;针对模型预测控制算法鲁棒性较差的问题,引入修正项反馈,提高控制系统鲁棒性,采用向量约束管理法解决模型预测控制算法硬约束造成的控制系统无优化解问题.仿真结果表明:该算法使跟车时车辆加速度及冲击度保持在舒适性范围,同时车间距始终大于最小安全距离,兼顾了舒适性和安全性要求,实现了自适应巡航控制系统跟车目的.     

熔丝沉积成型中最优放置方向选择算法

在熔丝沉积成型制造中,调整物体放置方向可以改善制造后模型表面精确度,并能有效减少打印耗材和打印时间．但是现有最优放置角度算法很少兼顾这三因素．文中在考虑这三因素的基础上,同时分析人们对显著特征区域精细程度主观观感的不同,以及去除支撑时对模型的损害,提出了支撑体积耗材、模型表面打印耗材、打印时间、模型表面精细度、模型表面显著特征加权精细度、支撑覆着表面积等6项成型指标与放置角度的关系函数,并根据这6项成型评价指标函数构造最优放置角度目标函数;最后,求解最优化目标函数以获取最优放置角度．实验结果表明,该算法可有效计算各种条件下的物体最优放置角度,优化了制造物体表面的精确度,节约了打印耗材和打印时间,避免了部分后处理对模型造成的损害．     

基于数字光处理技术的3D打印技术

介绍了以数字光处理(digital light processing,DLP)技术发展出的3D打印技术并讨论了其光学系统对成型效果的影响.介绍了现有3D打印技术的种类、光固化快速成型技术以及DLP技术的原理.说明了以DLP技术为核心的3D打印系统的基本结构,具体说明了DLP技术如何运用于快速成型领域.内容包括数字微镜器件(digital micro-mirror device,DMD)的组成和驱动原理、DLP技术中使用的典型光学系统结构,以及它们在3D打印技术中起到的作用.接着,讨论了在3D打印应用中,DLP技术需要注意的问题.内容包括DLP系统适用的光波长、投影幅面的均匀性和成型精度.最后,总结了DLP技术在3D打印领域的优势及不足.     

Design of a continuous fiber trajectory for 4D printing of thermally stimulated composite structures

Deformation control of 4D printing has always been challenging. Herein, a design method for the fiber trajectory for 4D printing composite structures with embedded continuous fibers is reported, wherein the designed composite structures can be deformed into many types of deployable surfaces. Deformation of the bilayer composite structure was driven by differences in the coefficients of thermal expansion (CTEs) between the resin substrate and embedded fibers. The bending curvature and direction of the composite structure is controlled by adjusting fiber orientations. According to differential geometry theory, the relationship between the angle of intersecting fiber bundles and curvature of the final shape was obtained. Therefore, arbitrary deployable surfaces, including conical, cylindrical, and tangent surfaces, can be deformed. This design and additive manufacturing strategy allow precise control of the deforming process, greatly extending the potential applications of 4D printing.     

载人潜水器舱室空间舒适性复合评估方法

为改善载人潜水器舱室空间舒适性,针对深海载人潜水器强约束条件下舱室空间舒适性特征,提出基于虚拟仿真技术的舱室可视化空间舒适性多源复合评估方法.该方法以虚拟仿真技术为基础,将载人潜水器舱室空间三维数字化数据与潜航员人体数据相结合,构建数字化虚拟仿真模型;以快速相应与评估为标准,将人体舒适性进行分区,并对载人潜水器空间与功能特征进行系统的分析,依托人体生理学特征获取人体舒适性区域特征及空间约束映射,建立7项评估指标;结合6项人因评估工具构建舒适性多源复合评估模型,采用虚拟仿真技术开发空间舒适性可视化评估系统,并通过某型载人潜水器舱室空间优化设计,对舒适性多源复合评估方法和可视化评估原型系统进行可行性验证.研究表明,不同的任务作业姿态严重影响人体舒适性评估的准确性,狭小的舱室空间及舱内设备的布局进一步增大了作业姿态评估的难度.采用空间舒适性复合评估方法能够准确的描述多种姿态下空间舒适性程度,同时多源和可视化的技术特点在一定程度上提升了空间设计方案评估效率以及评估结果的可读性.