基于微滴喷射3D打印的纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射研究

微滴喷射3D打印工艺中,墨水以单一液滴形式稳定喷射是保证喷墨打印质量的必要条件。但在微滴喷射瞬间,纳米颗粒悬浮墨水的流变学性能会随着剪切速率发生明显变化,对实现墨滴稳定喷射具有重要影响。通过测量墨水黏度与剪切速率之间的关系,建立变黏度喷墨打印有限元模型,并对微滴喷墨打印过程中墨滴黏度、墨滴速度、墨滴形貌的变化规律及影响机理进行研究。得出毛细管力是导致墨滴失稳的重要因素,最后对墨滴稳定喷射进行了数值模拟和物理试验验证,证明毛细管数-奥内佐格倒数(Capillary-ohnesorge reciprocal,CA-Z)纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射评价方法的可行性。CA-Z纳米颗粒悬浮墨水稳定喷射评价方法为微滴喷射3D打印墨水的制备及其打印参数的优化提供了理论和试验依据。     

压电喷墨过程动力学建模与供墨方法

针对压电喷墨过程中墨水的黏度对喷墨质量造成的液滴拖尾、卫星墨滴和墨带的问题,提出一种压电喷墨过程动力学建模与供墨方法。基于流体体积模型,建立面向墨滴喷射物理过程的动力学模型。基于该模型,对墨滴生成、断裂以及飞行的过程进行数值模拟,通过不同的边界条件设定,分析墨水特性对液滴喷射的影响因素,得到喷头工作的最佳黏度范围。通过控制温度调节墨水特性以及控制液位调节供墨压力的方法,设计一种基于微机控制的独立供墨子系统。采用模糊PID算法,实现了对墨水温度的快速、平滑响应控制,得到了良好的墨水特性和供墨特性的控制效果。搭建了压电喷墨试验平台,得到了微滴喷射过程中完整微滴的形成过程以及典型特征,验证了本文方法的有效性。     

非可展开曲面多材喷射协同调控方法

针对非可展开曲面电子器件制造难度高、精度差的问题，提出了一种基于五轴联动的非可展开曲面多材喷墨打印方法，通过五轴运动机构带动双阵列喷头在非可展开曲面上喷射介质材料与导电材料，并经过多层堆叠后形成共形电子功能结构。首先，对非可展开曲面模型进行三角面片离散化和多项式曲面重构，并根据弓高误差进行小线段分割后生成打印数据；其次，针对传统定时触发导致加减速区间喷头触发点不均匀及墨水斜面流动的问题，依次提出了法向量打印方法及空间等距喷头触发方法，实现了多轴联动非可展开曲面法向量水平打印的同时，较定时喷射触发数量误差减小96.5%；然后，分析了多喷头切换及累积误差和对打印精度的影响机理，提出了残余长度补偿算法，实现了曲面多材料协同触发打印。最后，进行了曲面微带天线的多材打印实验。打印件测试结果表明，导线层的线宽和线间距平均绝对误差均能控制在7.2μm以内，为共形天线等电子装备的一体化成形制造提供基础。     

喷墨打印中的充电控制研究

本文描述和分析了连续喷射喷墨打印的墨滴充电过程。在实验和理论上得到了影响墨滴充电的几个主要因素及其影响程度。主要因素是充电电极的结构尺寸和位置、充电过程的历史、墨水的性质和充电信号电压的波形特征。并提出了减小这些影响的方法。     

砂模增材制造精度控制中液滴飞行过程建模与分析

砂模打印是一种基于增材制造的新型无木模砂模造型技术,保障成型砂模的尺寸精度是其核心问题之一。归纳砂模打印成型机理及其误差来源,分析液态粘结剂由喷头喷射至原砂成型面的液滴飞行过程,建立起液滴飞行时间的数学模型以及误差计算模型,用于打印过程中的偏差补偿量确定,以减少或消除误差,提高成型砂模的精度和质量。     

三维打印机喷头的驱动系统

喷蜡打印喷头是三维打印机的核心部件。文中介绍了三维打印技术，分析了喷蜡打印喷头的结构、原理、驱动信号时序以及驱动电压波形对喷头喷射效果的影响，并在此基础上提出了喷头驱动系统的原理框图及实现方法。     

绝缘衬底的电流体喷印高分辨率微米电极研究

基于电流体动力学喷射理论，建立了集控制、运动和成像于一体的电流体喷印设备。由函数发生器和高压放大器为打印提供正负交变电场，以银导电墨水为打印材料，通过空气压缩机、调压阀和喷头将打印材料喷出，并采用交流供电的策略，进行了绝缘衬底上微米级的图案化银电极打印成型研究。探索高绝缘玻璃基板上电流体喷射打印过程的机理，利用控制变量法明确了电压、打印速度和工作距离3个关键打印参量对银电极打印成型特征的影响法则。结果表明：银电极的尺寸与工作距离成正比，与电压、打印速度成反比。在此研发基础上，在5 mm的厚绝缘玻璃衬底上成功打印并制备了分辨率为70μm的银电极阵列结构和复杂图形，打印结构边缘清晰可见、表面平整平滑，显示出电流体喷射打印方法能够在毫米级别绝缘衬底上对微米级别结构进行高质高效按需生产。     

可拉伸柔性电路的原位封装3D打印工艺

可拉伸柔性电路是可拉伸柔性电子关键组成部分。金属铜导线具有良好的电学性能、力学性能、导热性等,在电子行业中应用广泛。但是,常规印刷成形的铜基电路不可拉伸,无法直接用于柔性电子。为此,基于电路结构的柔性化设计和3D打印加工技术,提出一种可拉伸柔性金属导线电路的原位封装3D打印技术,实现可拉伸金属导线及其封装层的同轴打印成形,将其嵌入到打印的柔性封装膜内,最终完成可拉伸柔性电路的一体化加工。设计了可拉伸变形的金属导线原位封装结构,开发了可用于原位封装打印的喷头结构,研究了原位封装3D打印工艺,在此基础上对柔性电路的拉伸性能进行了研究。发展了一种多材料多功能结构的一体化3D打印技术,探索了该技术在可拉伸柔性电路加工中的应用,为柔性电子的设计与加工提供了新思路。     

三维打印机中XJ-128喷头驱动控制设计

简要介绍了所设计的打印机控制系统。重点研究了选用的Xaar128压电式喷头及其驱动信号时序关系,阐述了驱动信号实现模块图及具体流程。在此基础上利用LPM例化的双FIFO实现喷头数据暂存和位宽处理,并阐述了在三维打印中利用电机编码器位置脉冲来直接触发喷头喷射的优点。     

直接驱动型压电式喷头微滴产生过程数值模拟及试验研究

针对目前挤压管型压电式喷头结构复杂、组装工艺要求高及价格昂贵等问题,设计一种结构简化的环形压电陶瓷直接驱动喷射材料的微滴喷射装置。通过建立多物理场耦合压电式喷头微滴喷射两相流模型,研究驱动电压、流体黏度及表面张力等参数对微滴成形动力学行为的影响。在此基础上,利用构建的压电式喷头进行微滴喷射试验。结果表明:驱动电压幅值与产生微滴的速度及体积大小呈线性关系,喷射材料黏度增大产生的微滴喷射速度及体积减小,表面张力直接影响液滴形成过程的喷射材料液体丝带长度及断裂距离;采用喷嘴孔径为65μm的喷头,在稳定喷射条件下,可按需产生直径约80μm的均匀微滴,验证了设计的直接驱动式压电喷头按需产生均匀微滴的可行性。     

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。     

消防用多功能喷头装置设计

目前消防用喷头喷射方式单一,难以根据现场火势情况实现水流喷射的自动控制,结合现有的消防装备设施,设计了一套消防用全方位自动旋转的多功能自动喷头装置,通过温度传感器检测现场的温度最高火点来自动调整喷头的喷射方向,实现水流喷射方向的全方位化;通过实现主流直射喷射、分流喷射以及细孔散射等多种喷射方式的结合与自动切换,能够准确高效地扑灭火源。该喷头作为一个功能模块,可以方便地移植并配备于在不同类型的灭火车、灭火台等各类载体上。     

基于数字微分器的瞬时转速波动分析及在振动溯源中的应用

通过瞬时转速波动来分析回转机械故障是机械诊断领域的一个热点问题,其中瞬时转速波动特征的准确获取是其关键。已有方法通过对编码器输出的位置信息进行差分来计算瞬时转速,由于差分的幅频特性与微分的幅频特性理论上存在较大偏差,在后续的波动幅值识别中会产生较大误差。针对这一问题,提出一种基于数字微分器的转速波动提取方法,该方法通过有限冲击响应滤波器对微分特性进行逼近,有效避免了传统方法的幅值衰减问题,进而提高了估计精度,准确实现数控机床传动机构的振动溯源。     

基于MAM和PAM的多喷头3D打印系统

针对生物组织工程中多组分生物模型的三维打印问题,对电机挤出沉积式喷头、气动式微滴喷射式喷头、多材质模型路径规划及多喷头协调控制等方面进行了研究,提出了基于MAM和PAM的多喷头3D打印系统及多喷头协调控制方法,优化了PAM打印系统以提高系统打印精度,并改进了路径规划方法从而满足了多材质模型打印;最后利用多材质模型的打印实验对该系统的可行性进行了测试。研究结果表明:多喷头3D打印系统实现了多喷头之间的协调控制,实现了多材质复杂模型的打印;同时MAM和PAM喷头打印精度均满足了生物组织工程的需求,为实现高仿生结构的打印奠定了良好的基础。     

工艺参数对气动式喷射成型三维打印沉积线质量的研究

基于气动式喷射成型技术,运用单一变量实验方法,采用聚二甲基硅氧烷为实验材料,通过研究沉积路径成型过程中与打印温度、驱动气压、喷头移动速度等工艺参数,得到如下结论:第一,对温度进行研究,结果表明当温度过低时会造成沉积路径过宽,随着温度不断增大,沉积路径宽度与温度之间存在一个比例关系;第二,对驱动气压研究分析发现,当驱动气压过小时,会造成沉积路线不完整,但当气压逐渐增大,沉积路径宽度与驱动气压存在一定关系;第三,对喷头移动速度研究发现速度过高或过低都会引起打印精度降低,造成沉积路线不完整或沉积路径过宽。     

基于FIR优化滤波的旋转高频信号注入法及其应用

针对传统旋转高频信号注入法中信号处理精度低、延时时间长及过程复杂等缺陷,提出一种基于有限冲激响应(finite impulse response,FIR)优化滤波的改进旋转高频信号注入法.该方法采用等纹波最佳逼近FIR滤波器提取高频电流信号,实现高频电流信号提取误差最小.通过对高频电流作外差处理,提取转子位置误差信号,省去旋转高频信号注入法中的同步轴系滤波单元,降低系统的复杂性.通过线性相位补偿,实现转子速度与位置估计最小延迟.构建无轴承永磁同步电机无速度传感器矢量控制平台,验证算法的有效性.仿真实验结果表明:通过离线优化设计FIR滤波器及线性相位补偿,该方法在全速范围内能够准确估计转子的位置与速度,与卡尔曼滤波相比,其估计精度更高,鲁棒性更强.     

基于喷射抛光实验研究结果的异形抛光实验台设计

介绍了标准的液体喷射抛光实验,提出了近壁面附近固液两相流中的颗粒作用导致的流体摩擦剪切去除材料的机制假设,然后通过实验研究了抛光时间、样品表面初始粗糙度、喷头形状、喷射距离、喷射压力和pH值对抛光结果的影响。结果表明,抛光结果随时间趋于稳定并与初始粗糙度无关,圆形喷头比扇形喷头抛光效率高,喷射距离和压力影响一致,pH值越低影响越大。最后基于理论假设和实验结果设计了一个可以用于精密光学制造中异形表面抛光的实验装置。     

基于灰狼优化的埋地管道泄漏双波谱定位方法

为实现对埋地输气管道泄漏的高效准确定位,提出基于灰狼优化和双波谱估计的泄漏振动声源三维定位方法。 该方法 根据地面加速度传感器阵列的 P1 波、S 波混合信号模型构建双波谱函数,利用双波谱峰叠加特性进行双波速度匹配搜索以实 现波速估计,再将波速估计结果代入三维空间谱函数中进行泄漏三维定位。 将三维空间谱函数作为适应度函数,使用灰狼优化 算法代替三维空间谱网格搜索,实现对双波速度匹配和三维定位过程的优化。 实验证明,该方法可实现对泄漏振动声波在土介 质中的传播速度以及地下泄漏源位置的准确估计;与传统三维空间谱搜索方法相比,定位精度提高 25. 85% ,三维空间谱搜索耗 时减少 99. 95% 。     

PCM工艺中喷射过程的研究

以提高造型精度、减小凝聚单元体的尺寸为目的，分析了喷射过程的影响因素。论述了喷头的工作原理，并对喷头的设计进行了量化研究。针对液体在颗粒空隙中渗透的非稳态过程进行了数学分析与建模，研究了射流的结构和速度分布，给出了射流飞行的最优距离。对喷射过程中的滞后现象进行了详细分析，解决了喷头启闭控制与扫描运动的匹配问题，提高了平面内扫描喷射的几何准确性。     

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。