面向软体机器人的3D打印硅胶软材料实验研究

基于自主搭建的直接喷墨打印式打印平台,以DC737硅胶为打印材料,分析了挤出系统的力学模型,以确定工艺参数的类型;采用单因素试验确定了适合打印的层厚、打印速度和驱动压力的参数范围;采用正交试验研究了各工艺参数对打印时间、尺寸误差的影响规律,并成功应用到软体机器人的本体打印上。研究结果表明:在一定范围内,打印速度对打印时间的影响最为显著,而对尺寸误差影响最大的是驱动压力,最优工艺参数为层厚0.4 mm、打印速度15 mm/s、驱动压力124 110 Pa(18 psi)。使用最优参数组合打印出了软体毛毛虫,并进行了动态性能实验,验证了高效、高精度3D打印软体机器人的可行性。     

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。     

熔融堆积3D打印成形金属件层间结合研究

金属件熔融堆积3D打印过程中,制件的层间结合性能主要取决于热作用过程,因此对成形过程温度变化进行研究显得尤为重要。该研究基于熔融堆积3D打印成形特点,建立了成形过程有限元分析数学及物理模型,并使用ANSYS有限元软件对不同熔融金属温度、基板温度及堆积速度条件下成形过程温度场变化进行模拟研究。结合相同参数条件下的对比工艺试验,研究了这些参数对最终成形金属实体层间结合性能的影响。研究结果表明:随着熔融金属温度、基板温度的升高,以及堆积速度的增加,成形实体温度上升速度加快,高温热影响区增大,温度梯度减小,实体层间结合及拉伸性能提高,并在熔融金属温度160℃,基板温度90℃,堆积速度16mm/s参数条件下打印出了层间结合良好的铋锡合金实体。     

FDM 3D打印单层面体成形过程与工艺参数分析

成形效率是FDM 3D打印普遍关注的问题,而单层面体为FDM 3D打印中成形效率最高的打印类型。以圆柱体模型为例,研究FDM 3D打印单层面体的无基底成形过程,并对其工艺参数进行深入分析,为工艺参数设计提供有益参考。实验结果表明:FDM 3D无基底打印单层面体打印可分为余料清除、慢速打印首层和常速打印主体三个阶段;首层打印速度约为主体打印速度的30%。对比采用不同层厚的FDM 3D打印过程发现打印速度基本保持不变,主要通过改变送料速度来获得稳定不变的打印宽度。     

人工骨3D打印与铣削复合加工研究

针对人工骨高效精密制造的需求,展开PEEK材料人工骨高效3D打印与精密铣削复合加工研究。基于响应面方法,以PEEK材料人工骨制造的高储能模量、高效率、低耗材和高表面质量为目标,建立FDM型3D打印与铣削工艺参数的响应值回归数学模型,并据此进行工艺参数优化。得出3D打印最优参数组合为:层厚0.43 mm,内部填充密度55.05%,外周轮廓1.39圈。铣削最优参数组合为:背吃刀量0.2 mm,主轴转速3 500 r/min,进给量0.06 mm。进一步的复合加工试验验证了所构建的数学模型及优化的参数。该研究为PEEK材料人工骨的高效精密制造提供了一种复合加工方法,并奠定了复合加工的工艺参数基础。     

基于响应面法的粉末挤出打印黄铜材料工艺参数优化

以水雾化CuZn30黄铜粉末为主要原料，微晶蜡等有机物为粘结剂，经混炼、破碎和过筛得到打印喂料，通过粉末挤出3D打印制得打印坯体。以层厚、挤出温度、挤出率和打印速度为研究因素，以生坯密度为响应指标，采用中心复合设计(Central Composite Design, CCD)进行实验设计，并建立响应面分析数学模型。实验结果表明：在实验优化范围内，打印件的生坯密度大小主要由层厚和挤出温度决定，当层厚为0.25 mm、挤出温度为150℃、挤出率为140%、打印速度为50 mm/s时可获得生坯密度最高的打印坯体。     

PLA材料在FDM过程中翘曲变形的优化

翘曲变形是熔融沉积成型(FDM)过程中经常出现的问题。影响精度变化的主要因素是打印喷头温度、打印速度以及成型室温度。基于有限元仿真软件ANSYS,采用生死单元技术,对3D打印过程中的不同参数进行了对比模拟,得到了最优的打印参数为:打印喷头温度为200℃,打印速度为30 mm/s,成型室温度为35℃。对以后的3D打印提供了参数选择依据。     

FDM 3D打印P LA/木粉复合材料翘曲变形影响因素分析

翘曲变形是影响FDM 3D打印制件质量的一个重要因素。实验以PLA/木粉复合材料丝材为成型原料打印试样,通过正交实验研究了喷嘴温度、平台温度和层厚对试样翘曲量的影响。研究结果表明,三因素中对翘曲量的影响依次是层厚喷嘴温度平台温度,当喷嘴温度在190℃～200℃,平台温度在50℃～80℃,层厚设置为0. 2mm～0.3mm,打印的试样翘曲量比较小。这一点在正交实验中当喷嘴温度190℃,平台温度60℃,层厚0.2 mm时,试样的翘曲量达到最小为0.1mm,得到验证。     

熔融层积成型(FDM)3D打印中切片参数对拉丝现象的工艺影响研究

对熔融层积成型(FDM)技术的3D打印工艺进行研究,比较分析采用打印文件不同的切片参数对模型拉丝情况影响,减低FDM-3D打印模型过程中出现的拉丝情况。实验结果显示切片参数中的回抽距离、回抽速度和打印温度对模型拉丝现象有比较大的影响。当回抽距离为2 mm、回抽速度为2 500 mm/min、打印温度为195℃时,打印模型的拉丝现象最少。     

基于正交试验的CNT/PDMS复合材料直写打印参数优化

为了获得平整的CNT/PDMS复合材料的打印表面,为后续提升材料的传感性能。通过直写打印技术来获得复合材料结构,对其影响因素进行正交试验设计,再通过测量打印试样的宽度和厚度,对其极差、方差进行分析来优化打印参数。在实验中,配制了CNT/PDMS墨水并设计了其打印结构为20 mm×20mm×1.8 mm长方体,选用0.45 mm孔径的针头在200 k Pa的挤出气压下打印。选取了打印速度、扫描间距和层厚三个因素为主要影响因素并设置了相应的三个水平进行了正交试验设计。打印了9个试样并测量了试样的宽度和厚度,通过其极差和方差分析一致可得：三因素对宽度和厚度影响程度排序均为层厚>打印速度>扫描间距。根据极差和均值分析可得：影响宽度的打印参数最优组合为打印速度15 mm/s,扫描间距0.45 mm,层厚0.15 mm。影响厚度的打印参数最优组合为打印速度15 mm/s,扫描间距0.30 mm,层厚为0.15 mm。这为后续打印效果中传感性能的优化打下了良好的基础。     

浆料挤出式陶瓷3D打印工艺参数及打印件结构角度研究

针对挤出式陶瓷3D打印用于制备铸造型壳，分析了不同层高下浆料的挤出与堆积情况。通过3D打印试验，对比研究了挤出口内径、层高和打印速度对打印过程及打印质量的影响，获得了合适的工艺参数值；对比研究了不同的空间倾斜角度、打印平面内的角度下打印件的质量，获得了打印件的空间最大倾斜角度和打印平面内的最小角度。结果表明，合适的工艺参数为挤出口内径0.6～0.8 mm，层高0.6 mm左右，打印速度20 mm/s；打印件的内、外最大倾斜角度为40°，打印平面内的最小角度为30°。     

工艺参数对FDM成型方法圆筒制件的精度影响

熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是基于热源融化丝状材料的3D打印技术,以圆筒制件为模型,使用FDM成型方法进行3D打印,以分层厚度、填充密度、填充速度、挤出头温度为影响因素,获得了不同工艺参数下的壁厚误差和表面粗糙度Ra值。     

3D打印工艺参数对PLA压缩性能的影响研究

为了使3D打印模型获得较好的力学性能,对打印时不同工艺参数变化对模型在垂直层面方向的压缩力学性能的影响及其原因进行了比较分析。结果表明,合理设置打印时的分层厚度、喷头温度、打印速度等工艺参数,可以有效提高3D打印模型的压缩力学性能。当分层厚度为350μm、喷头温度为210℃、打印速度为70 mm/s时,3D打印模型在垂直层面方向可以得到较高的压缩力学性能,为后续3D打印模型获得较高的压缩力学性能提供了参考依据。     

多通道人工神经导管的3D打印工艺研究

提出一种静电纺丝和3D打印结合制备神经导管的新方法，其中对3D打印法制备多通道神经导管的工艺进行了研究。设计正交试验分析了3D打印参数对打印线高线宽及打印质量的影响主次关系，得到了多通道神经导管的3D打印最优参数，在最优参数下，通过静电纺丝和3D打印结合的方法制备了多通道神经导管。结果表明喷头内径0.25mm、扫描速度6mm/s和送料速比0.004为最优参数，且通过分析对线高线宽影响最大的是送料速比，其次是喷头内径，最后是扫描速度；而对均匀度影响最大的是送料速比，其次是扫描速度，喷头内径对偏差的影响最小。     

FDM熔融沉积3D打印悬垂结构试验研究

为了指导3D打印技术课程实训与技能竞赛、研究PLA聚乳酸材料熔融沉积成型悬垂面的表面质量和打印效率,通过自主设计悬垂模型结构,试验研究了不同悬垂角度下悬垂结构表面的成型质量;并且,通过单一变量法,对悬垂模型结构的打印层厚、填充密度、有无支撑三个工艺参数进行了试验研究,结果表明：打印层厚对悬垂结构熔融沉积成型效率影响最大、填充密度对悬垂成型外表面质量影响最小,并为3D打印实训课程的教学和技能大赛中悬垂结构熔融沉积成型提供了方法参考。     

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300μm喷嘴,实现了分辨率为40μm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。     

工艺参数对并联3D打印机成型精度影响分析

为提高并联3D打印机的打印成型精度,针对影响其打印成型精度的主要工艺参数进行试验分析,对打印头温度、打印速度、分层厚度和工作平台温度这四项工艺参数设计4因素3水平的9组正交试验,通过因素极差图和方差分析,研究各个因素水平对打印件x、y、z方向尺寸精度、圆孔直径和表面粗糙度的影响程度,并得到对打印成型精度影响较小的最佳工艺水平组合。结果表明,打印头温度、分层厚度对打印件尺寸精度影响较为显著,打印速度对表面粗糙度影响较为显著。     

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。     

激光扫描速度对4D打印钛镍形状记忆合金相转变和超弹性的影响

通过调控激光扫描速度,运用4D打印技术制备出具有不同相转变温度和微观结构的钛镍形状记忆合金。结合XRD、DSC、SEM和循环压缩等分析方法研究了不同扫描速度对4D打印钛镍合金相组成、相转变、微观结构和超弹性的影响。结果表明,当激光扫描速度从80 mm/s到150 mm/s时,4D打印钛镍合金中马氏体相(B19’)含量减少,奥氏体相(B2)含量增加;马氏体转变开始温度(Ms)和奥氏体转变结束温度(Af)随激光扫描速度增加而降低。奥氏体状态下循环压缩试验结果表明:激光扫描速度为80mm/s时,4D打印钛镍合金具有良好的超弹性,10次循环压缩后稳定的可回复应变达到4.99%,高于目前文献报道的回复应变2.64%;激光扫描速度为150 mm/s时,在3次循环压缩后回复应变几乎保持在4.55%不变。     

工艺参数对FDM成型塑料制品力学性能的影响

主要研究了打印速度和层高这两个关键工艺参数及其交互作用对采用熔融沉积(FDM)方式加工的标准塑料制品试件力学性能的影响规律。以聚乳酸(PLA)作为原料,采用创想三维的Ender-3s型3D打印机,分别制备了填充率在20%、30%和50%三种情况下,不同打印速度和打印层高时,试件的抗拉强度,并对拉伸试验所获得的数据进行等重复双因素方差分析。研究结果显示：打印速度和层高均对试件抗拉强度有显著影响,其中以打印层高影响效果最为显著;20%、30%和50%三种情况中交互作用对试件力学性能的影响也较为显著。在相关采用FDM工艺制备的塑料制品的设计和使用中应当充分考虑这几个因素的影响。