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.     

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.     

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。     

基于FDM-3D打印机喷头系统温度场分析与优化设计

FDM-3D打印机在打印成型过程中由于受结构设计与冷却方式等因素的影响,其喷头系统容易出现温度场分布不均,导致热塑性材料因熔融状态的不同而堵住喷嘴,从而影响3D打印机的正常使用。本研究利用ANSYS软件的有限元分析和流体动力学分析方法对FDM-3D打印机喷头系统的喉管、散热片、加热块以及喷嘴的结构设计与温度场分布进行仿真分析,并提出喷头系统关键机构的优化设计方案。结果表明：当喉管采用不锈钢材料时能有效降低喉管温度;散热片能大幅度降低喉管的温度,未加散热片时温度为204.58℃,加入后温度为114.65℃,降幅达89.93℃;风道设计对喉管的温度控制效果比未加风道时下降12.968℃,从而提高FDM-3D打印机的打印连续性、可靠性、打印效率以及打印质量。     

基于模糊算法3D打印喷头PID温度控制

目前,3D打印机采用常规PID温度控制的方式普遍存在打印机喷头实时温度变化过大的问题,经常使得打印机喷头发生堵塞、材料流出量及形态的不同等现象,导致打印效果不理想.为解决上述问题,本文研究设计了模糊PID控制系统控制喷嘴温度.系统温控由6 mm×20 mm的加热管、铝块、热敏电阻组成,加热管功率是40 W,采用PLC塑料丝为原材料,同时将传统型控制中的比例、积分、微分3个参数模糊化.仿真结果表明:模糊PID算法控制温度稳定的效果提高近5倍,且系统达到稳态所用时间更短,从而在3D打印机喷头系统中能进一步改善打印用料输出的平滑度,提高打印精度,得到令人满意的打印效果.     

陶瓷3D打印机结构设计与运动学分析

为克服现有陶瓷打印机不能连续进料的缺点以及整机质量较重、精度和稳定性不足等弊端,基于Delta结构设计出一款陶瓷打印机,并对机体位置正逆解、速度和加速度进行分析,建立位置正逆解和速度、加速度方程,将三维模型导入ADAMS软件,结合具体算例进行仿真分析.结果表明:仿真结果与数学模型一致,打印终端在X、Y、Z 3个方向上的最大速度分别为31、18、38 mm/s,在X、Y、Z 3个方向上的最大加速度分别为30、45、45 mm/s2,验证了位置正逆解和速度、加速度数学模型的正确性,优化了陶瓷打印机打印终端的运动特性,避免打印过程中出现急停、速度突变等情况,实现了平稳打印.     

陶瓷坯体3D塑性成形及原料性能研究

适用于各类陶瓷材料的3D打印技术及装备成为研究热点.本文提出了一种适用于陶瓷洁具及陶瓷艺术品坯体成形的陶瓷3D打印新技术—挤出堆积成形技术.采用塑性陶瓷泥料进行挤出堆积试验.通过改变陶瓷泥料含水率及甲基纤维素含量,研究挤出泥料的可塑性和坯体抗弯强度,以此为基础,通过选择打印装备及打印系统,调试打印参数,利用陶瓷泥料打印测试,最终实现了复杂造型的陶瓷坯体3D塑性成形.     

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.     

熔融沉积成型技术3D打印机加热系统的模糊自适应PID控制

在熔融沉积成型技术(FDM)3D打印过程中,需要对打印喷头和打印平台加热床进行加热,直到打印材料所需的温度才能开始打印,由于加热系统存在的时间滞后性和稳定性差的缺点,使加热过程既耗时又浪费能源。针对以上问题,采用模糊自适应PID控制方法控制打印喷头和打印平台加热床加热过程,并建立了控制系统Matlab/Simulink仿真模型。仿真结果表明,模糊自适应PID控制方法对FDM 3D打印机加热系统的控制效果优于传统PID控制方法,具有超调量小、响应速度快、控制效果更稳定的优势。     

3D打印混凝土打印喷头的研究进展

3D打印混凝土技术是一种利用打印喷头选择性地叠加混凝土材料的成型方法,该技术以数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等特点为绿色建筑业发展提供了新思路。3D打印混凝土设备的机械系统具备材料混合、搅拌和挤出打印3个主要功能,主要由混料装置、供料传送装置、打印装置和机架组成。打印喷头是3D打印混凝土设备机械系统的关键部件,不仅要满足均质浆料能够顺利挤出的需求,还应保证打印出的构件不坍塌并具备良好的层间结合强度等。因此,打印喷头的结构设计也是设备研制的重要任务之一。本文系统地总结了国内外3D打印混凝土成型工艺,按照功能特征分类介绍了3D打印混凝土设备的打印喷头,对其结构及工作原理进行了分析。     

以废旧PET为线材的新型3D打印喷头设计研究

通过对废旧PET塑料瓶进行DSC实验分析,验证了废旧PET塑料瓶进行切丝后作为3D打印材料的可行性,设计了采用正反螺纹螺杆进行挤丝的3D打印喷头,通过三维建模、实物实验分析和ANSYS仿真分析论证了其可行性。     

基于Arduino的3D打印机设计开发

针对基于熔融挤出成型(FDM)工艺原理的桌面级3D打印机进行设计开发,主要涉及delta型3D打印机机械结构的设计,Arduino软硬件控制平台的构建与开发等.通过对原理样机进行试验,结果表明该3D打印机运行良好,打印快速,精度较高.     

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.     

工艺参数对3D打印陶瓷零件质量的影响

3D打印技术可用于制造结构复杂、致密度高的陶瓷零件,其工艺参数的选择对零件的加工质量具有重要影响.不同挤出头直径下,挤出速度随着挤出压力的增大而加快,分层厚度与挤出头直径相关,而扫描速度与挤出速度的配合关系会直接影响陶瓷零件的成型精度.试验结果表明:在挤出头长度为5 mm,挤出头直径为0.6 mm,挤出压力为4 kg/cm2,扫描速度为20 mm/s,分层厚度为0.5 mm的打印参数下,能够打印出较理想的陶瓷零件.     

熔融沉积3D打印机送丝机构挤出轮的研究

送丝装置作为熔融沉积成型（FDM） 3D打印机的核心部件之一,负责将打印耗材送入喷嘴,并完成打印.挤出轮是整个送丝装置的关键零件,整机工作时,挤出轮与打印耗材直接接触,依靠摩擦将打印耗材送入喷嘴.通过试验方式,研究挤出轮的齿形和齿数,对打印过程进给量以及打印件的质量进行分析.结果表明,斜齿挤出轮的挤出效率高于直齿和凹形齿,但在高速情况下会发生跳齿现象.在工作时,挤出轮的齿数越多,实际进给量越接近理论值.     

PSO算法在3D打印喷头温度传感器非线性特性校正中的应用

将微粒群优化(PSO)算法应用于3D打印喷头温度检测系统的非线性特性校正. 在温度传感器特性无法准确获取的情况下,给出了基于PSO算法和逆模型实现非线性特性的线性化校正的一般实现思路和步骤. 首先对采集到的样本进行特征分析,提炼出温度传感器非线性特性的逆模型,再利用PSO算法对逆模型中未知参数进行优化求解,从而实现了3D打印喷头温度非线性特性的线性化校正. 最后,对3D打印喷头温度检测系统进行了实验研究,对比了逆模型的PSO参数优化求解和Matlab曲线拟合求解的实验结果,验证了本文基于PSO的喷头温度非线性特性的线性化校正方法的可行性,并可以扩展到一般非线性传感器的线性化校正应用中.     

工作平台可翻转的3D打印机装置结构分析

为了解决当前3D打印制造过程中一些具有悬臂或者空腔结构又不允许添加内部支撑结构的打印件无法制造的问题,设计出一种工作平台可翻转的3D打印机,介绍了其结构组成以及工作原理;通过对系统模型进行运动学分析,得到工作平台机构运动学正解与逆解,为结构的速度分析和运动控制等研究提供了基础。利用ANSYS仿真软件对系统建立仿真模型,得到工作平台结构和喷头结构的应力与模态分析,验证了设计方案的可行性。实现了工作平台可翻转的可能性,完成无支撑结构的曲面结构打印。     

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。     

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。     

3D打印的多点逐步逼近法温控校正探索

3D打印机的温控系统作为核心部件,直接影响了打印结果和质量。为了解决测温故障问题,通过修改软件程序,采用逐步逼近法对传感器表头文件参数进行校正,探究软件程序对温度的控制。结果表明,软件程序中温控系统的测量精度由传感器表头文件与程序函数共同决定,通过修改软件的方法能够快速解决测温系统故障问题,最终实现温度的精准控制,从而为智能3D打印技术的自诊断、自维护提供一种方法。