基于FDM彩色3D打印自适应控制系统的设计

随着3D打印技术愈发普及,市面上现有的基于混合多丝的彩色3D打印机因存在颜色库不全、混合颜色分辨率不高等缺陷而无法满足广大需求,为解决这一问题,提出了搅拌混色、实时调色和适宜温度场的综合方案。采用基于CMY-KW(红、黄、蓝、黑、白)调色原理自组开发设计的"五进一出"搅拌喷头;基于改变PWM输出占空比,实现步进电机的速度自由切换的原理搭建配套控制系统;基于调整PWM输出占空比改变多个风扇转速的原理,构建适宜稳定空间温度场,并对温度场进行仿真,以便观察和对比打印效果;通过打印实验,验证搅拌混色的可行性、控制系统的有效性和适宜温度场的优化性。该实验完成了彩色3D打印,为彩色3D打印技术的研究提供了一种新的解决方案。     

应用于3D打印的聚乳酸/纳米TiO_2复合材料制备及力学性能研究

聚乳酸是广泛应用于3D打印的耗材,针对其强度低及韧性差的力学性能缺陷,研究了一种聚乳酸/纳米二氧化钛复合材料的制备方法。首先以四氯化钛为钛源采用水热法制备纳米二氧化钛,再将纳米二氧化钛与聚乳酸熔融混合挤出制备聚乳酸/纳米二氧化钛复合材料。实验通过改变水热条件得到两种不同形貌纳米二氧化钛,一种是球状结构和棱面结构混合的纳米TiO_2,另一种是单一球状结构的纳米TiO_2。复合材料的力学性能测试结果表明,在相同条件下,混合结构(棱面结构和球状结构)的纳米TiO_2比单一球状结构的纳米TiO_2能更好的提高聚乳酸/纳米二氧化钛复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。当纳米TiO_2掺入量为1.5%时,两种复合材料的拉伸强度和断裂伸长率都达到最大值。采用常规的工艺参数,以小音箱为例,将复合材料进行3D打印测试,结果表明,所制备的两种复合材料均能满足3D打印的要求。     

FDM 3D打印机喷头温度场分析与结构优化

针对熔融沉积型(FDM,Fused Deposition Modeling)3D打印机喷头系统在打印过程中存在打印材料提前软化和打印成型件不能及时冷却,引起打印精度差的问题,设计了一种高效简易的3D打印机喷头冷却装置。通过ANSYS fluent软件对结构优化前后的喷头和打印材料进行了热学仿真分析,得到结构优化前后喷头温度云图和打印材料的温度云图、应变云图的模拟数据。并通过实验测量出结构优化前后打印成型件的误差。结果表明:结构优化后喷头的冷却装置能够有效改善打印材料提前软化的现象,打印的成型件能够及时冷却,打印精度得到提高。     

基于Fluent的FDM 3D打印机喷头分析与结构优化

针对熔融沉积型3D打印成型件容易出现产品精度比较差的问题,以喷头出口处流体速度为研究方向,建立喷头的流体分析有限元模型,设计田口方法,分析在加热腔长度、丝料过道长度、加热腔温度3个因素的水平组合条件下的流体速度;建立喷嘴三维模型,运用ANSYS Fluent软件对模型进行仿真分析,获得出口截面速度云图,分析出口截面速度方差,并对喷头进行结构优化设计。通过理论与实验相结合的方法,证实优化后的喷嘴有效提高了产品精度。实验结果表明:加热腔长度h_1=5 mm、丝料过道长度h_2=8 mm、加热腔温度T=240℃时,打印产品的精度最高,为喷头的结构优化提供了参考。     

多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征

针对目前骨组织工程支架微孔结构难以准确设计制备的问题,提出了一种基于点云的参数化建模+3D打印新方法。通过提取cube(C)、diamond(D)、gyroid(G)3种结构的型面函数点云数据,完成对不同孔结构特征的参数化建模。通过对模型有限元力学分析,对不同孔结构特征的多孔钛骨组织支架进行力学设计与订制。借助激光选区熔融(SLM)3D打印技术,完成对不同孔特征的骨组织支架快速成型。对多孔钛骨组织支架进行了相关材料学表征,包括孔结构表征与力学性能测试。结果表明:参数化模型的快速成型制造,能够有效地设计制备钛合金骨组织工程支架的孔结构特性,且可有效设计订制支架的力学性能,从仿生的角度实现多孔钛合金骨组织工程支架生物学功能的设计优化。     

面向机械臂3D打印的曲面分区算法

多自由度机械臂3D打印能够突破传统平面分层熔融沉积3D打印工艺单一模型生长方向的限制,支持多方向打印。曲面分层和分区规划是机械臂打印的前提。对于具有多支柱结构或曲面变化率较大的模型经过曲面分层后,会呈现出多岛屿的曲面结构特征。传统的基于空间与平面映射关联的分区方法及基于曲面曲率特性的分区方法存在点面信息丢失、区域关系无法准确构建、子区域数量过多、区域划分不合理等问题。针对这些问题,提出基于曲面分层的复杂多岛屿分区方法。通过遍历每个曲面层信息,判断需要分区的曲面层;采用广度优先搜索算法提取同一封闭区域内的点面信息以及轮廓信息;依据原曲面层点面信息的关联将新存储的面片信息进行更新组合成新的曲面完成区域划分。最终,对具有多支柱结构和外表面凹凸变化较大的两种模型进行分区,路径规划的仿真及机械臂3D打印实验证明了该分区方法的可行性。     

熔融沉积成型彩色3D打印机的研究

当前基于FDM的3D打印机大部分只能使用一种颜色的耗材,因此打印件颜色单一。为了解决这一问题,在深入研究FDM 3D打印机工作原理的基础上,设计一套彩色3D打印机挤出装置,对普通切片软件进行了二次开发,编写了与挤出装置相匹配的彩色切片插件,并进行了样机的试制与调试。通过打印试验,验证了所设计的挤出装置及彩色切片插件达到了设计要求,实现了彩色打印,为彩色3D打印技术的进一步研究提供参考。     

3D打印耗材对树脂砂型性能影响的对比研究

研究了3D打印耗材对树脂砂型性能的影响,获得了打印耗材参数及打印参数对砂型性能的影响规律:(1)随着呋喃树脂加入量的增加,砂型的抗拉强度、抗压强度及抗弯强度均随着增加,而砂型透气性则随之降低;(2)随着砂粒直径的增加,砂型的抗拉强度、抗压强度及抗弯强度均随着增加,砂型透气性增加得十分明显;(3)随着打印层厚的增加,抗压强度、抗弯强度及抗拉强度均随之减小,而砂型透气性却随之增加。通过相同的打印参数下国产和进口耗材打印的砂型性能的对比分析发现,尽管国产耗材与进口耗材打印的砂型性能上还有一定的差距,但在满足使用要求上已经十分接近,采用国产耗材替代进口耗材是可行的。     

FDM 3D打印尺寸误差及其工艺补偿方法研究

针对熔融沉积成型的3D打印零件由于打印材料状态波动而产生的尺寸误差,以螺纹连接件作为实验实例,对不同打印部位由打印材料热胀冷缩而产生的尺寸变动进行了分析。通过实验数据对比分析,提出了提高3D打印精度的改进措施,并对熔融沉积成型3D打印机使用过程中的部分技术问题进行了描述和分析,提出了相应的技术应用建议。     

基于正交试验的FDM 3D打印工艺方法研究

正交实验设计和分析方法是研究多因素多水平工艺优化实验的有效方法。针对目前3D打印领域缺乏行业标准、影响3D打印成型结果的工艺参数繁多、最佳工艺流程难以确定的问题,采用正交实验方法研究影响3D打印成型质量的工艺流程,分析出层高设置、打印速度、填充密度依次为影响FDM(熔融沉积)3D打印成型的主要因素,并得出层高0.18mm,打印速度40 mm/s,填充30%时表面质量较好。正交实验方法对优化3D打印工艺流程、提高打印效果具有借鉴意义。     

基于3D打印的汽车主模型尾灯模块的制造

为实现在实车上安装检测,需采用3D打印技术,并使用工程塑料等轻量化材料代替传统铝合金材料来制备尾灯检测模块。采用不同的3D打印的方法制作出ABS塑料和光敏树脂材料的尾灯模块,并以表面质量、外观颜色、尺寸精度3个方面作为指标,进行了对照实验,确定了表面粗糙度低、颜色接近铝合金、尺寸精度高的尾灯模块用料及工艺。结果显示,采用SLA方法打印的光敏树脂模块比采用FDM方法打印的ABS塑料模块的表面光洁度更好,采用表面喷漆工艺比原材料直接调色制备的模块外观更接近铝合金,均匀的网格加强筋结构比实心填充加强结构更有利于控制制件的尺寸精度。     

基于电机挤出沉积的多喷头生物3D打印系统

3D打印载药组织工程骨支架正朝着多材质方向发展。针对多材质支架打印过程中出现的多喷头切换时产生的喷头干涉碰撞、共点打印以及流涎现象,对电机挤出式打印喷头的切换装置、多材质打印路径及多喷头打印控制进行研究,提出基于电机挤出沉积的多喷头打印系统及多喷头控制方法。使用花瓣形喷头切换机构实现多材质的切换,设计多喷头切换的路径规划方法及上位机控制程序,最后以羟基磷灰石和聚乙烯醇的混合材料在多喷头生物3D打印系统上进行打印测试。研究结果表明：该系统能实现多喷头的协调打印、共点打印,解决了打印过程中喷头切换时产生的干涉碰撞和流涎现象,为仿生载药组织工程骨支架的梯度打印提供了参考。     

Development of 70/30 Poly-<Emphasis Type="SmallCaps">l</Emphasis>-<Emphasis Type="SmallCaps">dl</Emphasis>-Lactic Acid Filaments for 3D Printers (Part 1): Filament Manufacturing and Characterization of Printed Samples for Use as Bioabsorbable Products

The aim of this work was to manufacture 70/30 poly-l-dl-lactic acid (PLDLLA) filaments for three-dimensional (3D) printers by using the extrusion technique and to study the properties of filaments and printed plates for surgical fracture stabilization. Different extrusion methodologies were tested and filaments were analyzed in terms of homogeneity, accuracy diameter, finishing surface morphology, and chemical degradation. X-ray diffraction and differential scanning calorimetry showed that the filaments have less crystallinity than does the raw material. Infrared and thermogravimetric analysis showed no evidence of chemical degradation. Surgical plates made with the filaments revealed small changes in the material properties after the printing process. PLDLLA filament extrusion and 3D printing are a promising way to satisfy the demand of implantable bioabsorbable products.     

基于3D打印的数控渐进反向成形组合式支撑

为克服传统的整体式支撑不能重复使用,并且基于数控铣削方式或3D打印方式的整体式支撑制作时间长、材料浪费多的问题,提出一种基于3D打印的数控渐进反向成形组合式支撑制作方法。该组合式支撑对于不同形状板材件的成形只需要更换凹模曲面板而其他部件不需要更换,通过增减支撑壁叠块来调整支撑的高度,以适应不同成形深度的板材件。给出了组合式支撑的结构及工作原理并制作出实际支撑。基于组合式支撑的成形实验结果表明,该组合式支撑具有可应用性。     

悬臂式3D打印机器人运动分析与打印实验

针对目前3D打印装置结构单一和打印空间小的的缺点,研制了一台悬臂式3D打印机器人.运用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立连杆坐标系,根据齐次坐标变换,建立机器人正运动学方程,采用代数法进行逆运动学求解,通过控制各关节变量,驱动打印头在3D打印平台上按照指定轨迹实现3D打印功能,并在悬臂式3D打印机器人实验平台上进行了零件打印实验,结果表明:所设计的悬臂式3D打印机器人能够准确、有效的按照规划路径执行相应轨迹运动,表面无翘曲和变形产生,打印零件质量和精度较高.     

3D打印工程人才培养模式的探索与实践

在对3D打印结构体系、实践教学体系进行规划分析、功能定位的基础上,对新工科背景下3D打印梦工厂的建设模式进行了探索,通过软硬件建设变革教学模式,形成新的教学方法,为培养具有适应未来工程需要的新工科工程人才提供了有力支撑。     

Additive Manufacturing of Syntactic Foams: Part 2: Specimen Printing and Mechanical Property Characterization

High-density polyethylene (HDPE) and its fly ash cenosphere-filled syntactic foam filaments have been recently developed. These filaments are used for three-dimensional (3D) printing using a commercial printer. The developed syntactic foam filament (HDPE40) contains 40 wt.% cenospheres in the HDPE matrix. Printing parameters for HDPE and HDPE40 were optimized for use in widely available commercial printers, and specimens were three-dimensionally (3D) printed for tensile testing at strain rate of 10^?3 s^?1. Process optimization resulted in smooth operation of the 3D printer without nozzle clogging or cenosphere fracture during the printing process. Characterization results revealed that the tensile modulus values of 3D-printed HDPE and HDPE40 specimens were higher than those of injection-molded specimens, while the tensile strength was comparable, but the fracture strain and density were lower.