连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究

连续碳纤维复合材料3D打印的成型质量与成型性能受到三维成型过程中温度、速度、层高等多工艺条件及复合材料本身、打印喷头等多物理参数的影响,合理工艺参数的选择是高质量碳纤维三维成型的保证。针对碳纤维长纤复合材料连续性与各向异性的特点,研究了连续碳纤维3D打印的系统构成与工艺模型,分析了三维成型过程中不同工艺参数与成型结果间的影响关系,通过3D打印实验验证理论分析的正确性。研究为连续碳纤维复合材料3D打印合理工艺条件的选择提供了依据。     

糊状食材3D打印工艺参数对成形形貌的影响研究

3D打印工艺参数是影响成形形貌的关键因素,研究食品3D打印工艺参数与成形形貌的关系对实现高效、稳定成形具有重要意义。依托自主研发食品3D打印装置,以糊状食材为打印原料,通过气压挤出系统可对食品打印成形实现实时准确控制。通过实验,研究可可粉等食品打印原料的打印速度、喷嘴出口与基板成形区距离等工艺参数对食品成形形貌的影响。进一步研究多层成形打印策略调整,优化工艺参数后,实验结果表明多层成形宽度和高度精度分别提升66.1%和13.0%。开展的相关研究及扩展成果,对以后食品3D打印技术的深入研究具有一定的参考意义。     

层高对陶瓷浆料微流挤出成形质量的影响研究

为了确定微流挤出成形陶瓷浆料的最佳层高以及能够成形的最大高度,针对氧化锆陶瓷浆料,分析了丝体从喷头挤出后喷头与沉积丝体之间的5种高度关系,探讨了层高对打印质量的影响机理,并根据浆料特性建立了层间压缩形变模型;通过不同喷头直径和不同层高的3D打印工艺实验,采用数码显微镜扫描、尺寸测量及力学实验等方法对打印试样的表面形貌、成形精度及力学性能等进行了测量与表征,验证了所建模型的正确性。结果表明,当层高与喷头直径的比值分别为0.96、0.92、0.86、1、1.2时,打印质量从优到劣依次递减,因此,合理的层高设置可以减少陶瓷零件的打印缺陷,提高打印质量,为基于材料挤出工艺的参数选择提供一定的理论指导。     

三维打印成形机理及其试验研究

利用自行开发的三维打印成形系统进行了石膏基复合粉末的三维打印成形试验，讨论了三维打印成形的机理。测试了制件的微观组织结构、机械性能以及三个方向上的尺寸精度，分析了各工艺参数对制件微观组织和宏观性能的影响，给出了三维打印成形的应用实例。试验结果为制定合理的三维打印成形工艺参数提供了依据。     

基于神经网络和遗传算法的三维打印工艺参数优化

分析了粉末材料三维打印(three dimensional printing,3DP)过程中影响成型精度的因素,采用试验的方法确定打印过程中的三维制件的收缩率范围。以"H"型工件为标准,建立了基于神经网络(neural network,NN)的制件尺寸精度误差和打印工艺参数之间关系的模型。以制件最小尺寸误差为目标,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)对3DP中的工艺参数如饱和度、层厚和X、Y、Z这3个方向的收缩补偿值进行优化,获得了相应的打印工艺参数。采用3DP默认的打印参数、打印参数的最小值、最大值以及NN-GA得到的参数进行对比试验。结果表明:采用NN-GA获得的工艺参数打印的制件的尺寸误差最小,可以预测3DP成型制件相对尺寸误差。     

熔融沉积成型三维打印参数最优组合的试验验证

对层厚、壁厚、打印速度、打印温度等影响熔融沉积成型三维打印的因素进行了分析,以聚乳酸为基体材料,以底面直径和高度均为10 mm的小圆柱体为打印对象,以耗材用量和尺寸误差为试验指标,基于多指标正交试验中的极差分析法进行熔融沉积成型三维打印参数最优组合试验。试验结果表明,当层厚为0.4 mm、壁厚为0.4 mm、打印速度为40 mm/s、打印温度为200℃时,进行熔融沉积成型三维打印,可以在基体材料丝消耗较少的情况下获得较高的成型精度。     

水溶性氧化钙陶瓷型芯的挤出式3D打印参数优化与表面精度控制研究

挤出式3D打印成形水溶性氧化钙陶瓷型芯可高质高效成形复杂内腔铸造构件,铸件内腔的残留型芯用水溶解即可快速清理,在复杂内腔构件精密铸造领域具有较大的应用潜力。以针头内径、层高/内径比值、打印速度和内部填充方向四个关键工艺参数进行四因素三水平正交试验,通过对不同工艺参数的3D打印成型坯体进行表面粗糙度测量与统计,采用极差分析确定各个打印参数对坯体表面质量影响的主次顺序,并得到挤出式3D打印氧化钙陶瓷型芯的最优打印参数。结果表明,内部填充方向对型芯坯体表面成形质量有显著的影响,当内部填充方向与外轮廓呈45°和90°时,内部填充浆料与外轮廓层有较多的拐点,拐点处的成形方向发生突变,进而造成挤出压力方向发生突变并作用于外轮廓层,外轮廓层变得凹凸不平,层层堆积成形的坯体表面粗糙度较大、表面质量较差。当针头内径为0.41 mm、层高/内径比值为70%、打印速度为20 mm/s、内部填充方向与外轮廓层平行时,坯体表面粗糙度最小,型芯坯体表面质量最好。通过增加外轮廓层数来可以有效地减小甚至消除填充方向对坯体表面粗糙度的影响,当外轮廓增加至两层时型芯坯体表面粗糙度降低了近22%,这对水溶性陶瓷型芯的快速精...     

FDM三维成型样品缺陷的工艺分析与研究

基于熔融沉积成型的技术原理,利用桌面式三维打印机,研究了喷头温度、分层层厚、打印速度和成型方向对样品质量的影响,分析了翘曲、鼓泡、拉丝等打印缺陷产生的工艺原因,并进一步通过优化参数设置,改进了样品的成型精度和质量。以此在低成本制造的基础上充分发挥三维成型的优势,为促进桌面级3D打印技术的推广应用提供支持。     

挤出沉积成型工艺参数优化研究

通过挤出沉积成型试验,对骨组织工程支架的成型工艺参数进行研究,以提高同轴骨支架组织工程的成型质量和力学性能。方法:首先采用田口法和方差分析法对打印参数进行了优选,其次分析了工艺参数对成型质量和力学性能的显著性影响,最后通过优选的工艺参数对实验结果进行了预测和分析。结果:结果显示,挤出沉积成型最优参数组合为喷头内外芯直径0.6 mm/1.5 mm,层高1.5 mm,打印速度30 mm/h,内芯材料配比1∶1.5;对骨支架特性影响的显著性由强到弱依次为层高、打印速度、内芯喷头直径和内芯材料配比。结论:验证实验结果表明,成型质量和力学性能实验值的信噪比与预估信噪比非常接近,说明挤出沉积成型工艺参数的优化对骨组织工程支架的成型质量和力学性能的提高是十分有效的。     

基于喷墨打印机的三维打印快速成型系统开发及实验研究

三维打印成型技术是目前快速成型领域最具生命力的技术之一,有广阔的应用前景。通过研究三维打印成型机理,针对目前在三维打印成型中广泛使用热气泡式喷嘴所存在的问题,提出了采用压电式喷嘴喷射成型材料和粘结材料的思想。讨论了基于压电式喷墨打印机的三维打印快速成型系统开发的关键技术和方法,根据这一思路开发了一套快速成型系统,并研究了粉末配方、铺粉方式、打印层厚、切片方向、等工艺参数。实验结果验证,所开发的快速成型系统制造的精细模型圆孔直径可达0.5mm,壁厚可达0.8mm,成型误差在±0.2mm以内。     

基于3D打印技术的石墨烯基三维电极设计制造研究进展

锂离子电池因其较高的能量密度、稳定的放电平台和安全的使用环境被广泛应用于航空航天、汽车、可穿戴柔性设备等领域。目前锂离子电池的研究主要集中在薄电极（<50 μm）的设计制造,其较低的单位面积负载（<5 mg·cm^-2）严重制约了面积比容量。因此厚电极的制造（100~500 μm）将成为未来高比能量电池的研究热点。3D打印技术因其可定制化成型复杂电极结构的优势,在厚电极制造领域具有广泛的应用前景。综述了3D打印成型工艺在石墨烯基三维厚电极领域的研究进展,分析了相应3D打印工艺的成型特点（墨水性能、成型精度、适用范围）和工艺难点,展望了石墨烯基三维厚电极3D打印的发展趋势,提出了基于凝胶电解质的全电池成型工艺,为新一代高性能锂离子电池的研制提供新思路。     

含微通道网络的再生支架3D打印成形工艺和系统及试验研究

3D打印技术在构建个性化的人工组织和器官方面具有独特优势和发展潜力,然而目前在构建具有优良代谢性能的人工组织方面也还存在很多技术壁垒。在秉承3D打印技术优势基础上,综合考虑生物材料的反应成形特性,提出一种能够直接成形微尺度中空纤维,再三维叠层制造,从而直接获得内含微通道网络的再生支架的3D打印成形工艺;基于管材无模拉伸理论,定量分析微尺度中空纤维在被三维搭接过程中的拉伸变形,为工艺优化和参数调控奠定了理论基础;在给出相应成形系统的关键组成和技术要点基础上,进行了三维再生支架的制备试验及性能测试与分析。试验结果表明,提出的工艺及系统存在巨大的应用潜力,为有效解决人工再生组织血管化问题提供了一种全新的技术途径。     

电场驱动喷射微3D打印的高性能纸基电路制造工艺研究

提出了一种基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造高分辨率纸基电子的新方法。阐述了该方法的基本原理与工艺流程,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压、打印速度）对三种纸质基材上打印银线的质量和精度影响及其规律。利用自主研发的电场驱动喷射微3D打印机,使用含银量75%和动力黏度35 Pa·s（25 ℃）的低温纳米银浆,并结合优化工艺窗口,在纸质基材上通过多层堆叠打印实现了高分辨率、大高宽比微纳结构,其中在RC相纸上堆积15层后,其线宽可保持在10 μm、高宽比增至6.33,电阻下降了94.8%。最后,在不同纸质基材表面制作了柔性电磁驱动器、复杂导电图案等样件来证明其打印能力。结果表明,采用电场驱动射流沉积微尺度3D打印技术新方法,并结合高黏度低温烧结纳米银浆,可为高性能纸基电子制造提供有效途径。     

微纳增材制造微圆柱结构的形貌分析与工艺优化研究

针对目前亚像素微扫描的LCD式光固化3D打印技术在微纳结构增材制造中存在的典型打印瑕疵,通过优化打印工艺和分析打印结构,以提高打印成型质量和生产效率。首先,通过对打印材料后处理工艺研究,设计单因素试验并打印平板模型,分析后固化时长对零件硬度、粗糙度及形貌影响规律。其次,结合打印工艺参数,设计正交试验并打印圆柱阵列模型,分析打印层厚、曝光时间、振动次数对微圆柱成型的影响规律。结果表明：后固化时间在5～10 min时,后固化效果最优,此时表面粗糙度Ra值约为29 nm,邵氏硬度在88 HD左右。打印工艺参数对微圆柱直径尺寸影响大小排序为：曝光时间>打印层厚>振动次数。在均衡打印质量和打印效率的前提下,打印参数优化后,打印直径50 μm,高度210 μm的微圆柱结构应采用打印层厚10 μm,曝光时间2 500 ms,振动次数64 x的打印工艺参数。     

具有电磁阀微喷功能的3D打印机构建及应用

3D打印技术已经在生物医学、传感器制造等领域得到广泛应用。然而,传统3D打印机由于自身工作方式的不同,适用范围不同,难以同时兼容生物制备和传感器制备。因此,以电磁阀作为3D打印机的喷头,自主设计并构建具有独特工作方式的3D打印机,将高精度液滴分配方式应用于3D结构打印。研究料筒气压、电磁阀开关时间、喷头高度对打印液滴直径的影响,并对点、线、网、面图案的打印质量进行评估;利用所构建的打印机制备具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和阵列式柔性压力传感器,测试组织工程皮肤的细胞活性及压力传感器的压-阻转换特性。结果表明,打印液滴直径尺寸与料筒气压、喷头开启时间、喷头高度均成正相关;3D打印机对点、线、网、面图案的打印效果较为理想;可成功应用于具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和柔性压力传感器的制备。所构建的3D打印机融合喷墨式打印机和挤出式打印机的优势,对打印墨水有较好的兼容性,具有打印方式简单、打印速度快、成型质量高的优点,对组织工程皮肤及柔性压力传感器的研究具有重要意义,为实现具有感知功能仿生皮肤的制备奠定基础。     

基于DLP的珠宝树脂3D打印工艺研究

DLP(数字光处理技术)是一种以面曝光的方式逐层成型的3D打印技术.在DLP的3D打印工艺过程中,当分层厚度确定时,零件的打印精度主要取决于曝光时间和成型方向.设计一个测试试样,研究了采用DLP工艺打印珠宝树脂材料过程中的单层曝光时间和零件成型方向对不同特征打印精度的影响规律.研究结果表明:对于所采用的珠宝铸造树脂曝光...     

三维打印成形系统的开发

三维打印成形技术是一个多学科交叉的系统工程。介绍了三维打印的成形机理，讨论了机械设计方案和工作流程，并根据实验确定了成形参数。并给出了三维打印成形的应用实例。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites，PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性，尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题，提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验，揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台，并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式，实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid，PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明，提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴，实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造），而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

Effects of layer thickness and binder saturation level parameters on 3D printing process

Various parameters, such as binder properties, printing layer thickness, powder size, and binder saturation level, have effects on the strength and surface finish of the three-dimensional printing (3D printing) process. The objective of this research is to study the effects of two parameters of layer thickness and binder saturation level on mechanical strength, integrity, surface quality, and dimensional accuracy in the 3D printing process. Various specimens include tensile and flexural test specimens and individual network structure specimens are made by the 3D printing process under different layer thicknesses and binder saturation by use of ZCorp.'s ZP102 powder and Zb56 binder. Two printing layer thicknesses, 0.1 and 0.087 mm, are evaluated at 90% and 125% binder saturation levels. Experimental findings show that under the same layer thickness, increment of binder saturation level from 90% to 125% would result in an increase of tensile and flexural strengths of the specimens and decrease of dimensional accuracy and surface uniformity of specimens. On the other hand, under the same binder saturation conditions, increase in layer thickness from 0.087 to 0.1 mm would decrease tensile strength and increase flexural strength. Also, it gives better uniformity on the surface.