挤出式FDM 3D打印喷头的优化设计

针对挤出式FDM 3D打印喷头结构进行优化设计。采用数值模拟方法,建立了喷头有限元分析模型,分析了不同的加热套材料、不同加热棒数量、不同材料腔直径对喷头温度分布的影响规律,确定了优化的结构,并制作挤出式FDM3D打印喷头。用红外热像仪对喷头温度分布进行了测量,喷嘴处实测温度和模拟温度偏差为0.59℃,推杆与材料腔的配合间隙在预测范围之内。在150℃加热条件下采用PCL(聚己内酯)颗粒材料进行挤出测试,出丝过程连续、均匀、推杆上下运动灵活、材料腔内没有材料溢出,推杆及材料腔的配合间隙满足设计要求。     

含能材料3D打印机喷嘴参数对挤出速度的影响

在熔融沉积(FDM)成型机的基础上,设计了一种适用于含溶剂的含能材料挤出成型的气压式喷头。利用了正交实验原理及有限元软件ANSYS/FLOTRAN,探讨了喷头的关键尺寸对挤出速度的影响规律,得出了各因素对挤出速度的影响程度,并建立了挤出速度与流道关键尺寸之间的指数预测模型,研究结果表明,最主要的影响参数为喷嘴直径大小,其次为成型段长度,入口收缩角等因素影响较小。所得指数预测模型与CFD计算值结果误差在8%左右,即可根据指数预测模型,通过调节压力大小来获取较为精确的挤出速度。     

海藻酸钠/明胶溶液3D低温沉积成形线材的尺寸精度

以海藻酸钠/明胶溶液为打印材料,采用3D低温沉积成形(LDM)技术在6℃成形环境下打印成线材,对比研究了挤出压力、溶液黏度和喷头速度对试验得到的和理论计算得到的挤出胀大率和挤出拉伸率的影响,确定了最佳打印参数,并探讨了在最佳打印参数下打印件的尺寸精度。结果表明:线材的挤出胀大率随溶液黏度的增加而减小,随挤出压力的增加而增大,挤出拉伸率随喷头速度的增加而增大;最佳打印参数为溶液黏度1.26Pa·s、挤出压力80kPa、喷头速度8mm·s-1,此时线材的成形效果较好,试验值和理论计算值的相对误差最小;在最佳打印参数下,基于挤出胀大率和挤出拉伸率的理论计算结果对打印件尺寸进行调整,调整后打印出的矩形件和空心圆环实际尺寸与设计尺寸的相对误差小于5%,打印精度较高。     

往复式骨架油封温度场的动态分析

针对往复式骨架油封因温度过高,造成唇口损伤的问题,采用ABAQUS软件模拟往复式骨架油封唇口温度分布,并研究过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数对往复式骨架油封唇口处的温度影响,依据所选橡胶材料的适用温度范围并对照分析结果,得出过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数的合理取值区间。结果表明:过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数的增加,会使往复式骨架油封唇口处的温度升高,进而影响往复式骨架油封的密封性能;往复速度与运行时间共同作用,使唇口处的温度在某一速度附近出现骤升现象;与内行程相比,过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数对外行程中唇口处的温度影响更大,使唇口处的温度具有更大增幅以及更高的温度值,这表明因温度过高造成唇口损伤的现象更易发生在外行程。     

熔融沉积成形喷头挤出参数优化控制

在FDM工艺中，成形材料能否以稳定的速度及温度从喷嘴中挤出将直接影响原型的成形质量。建立了熔体在喷嘴中的压力降与挤出流量、加热温度的数学模型，结合实验，确定了稳定挤出的速度区间。研究结果对FDM工艺中聚合物熔体挤出参数的优化、保证成形精度提供了依据。     

一种基于FDM-3D打印机改进喷嘴的流-固耦合模拟分析

针对FDM-3D打印机在打印熔融ABS材料过程中发生的流涎现象,对打印机喷嘴的结构进行改进和重新设计,在喉管的末端腔部加入网格结构增大熔融丝材的沿程阻力,使其在没有施加挤出力时不能因丝材熔融产生的体积膨胀力而发生流涎(拉丝)现象。将所建的模型导入到ANSYS Workbench中,用该软件中的流体计算软件模块—Fluent对流经喷嘴的流体进行数值模拟,得到速度的云图和相关曲线,并对其进行分析。用静力学结构分析模块—Static Structural对流体作用后的新型喷嘴结构进行结构静力学分析,得到新型喷嘴结构的应力、应变的云图,并对其进行分析。研究表明新型喷嘴结构能够减轻打印机在启停、打印过程中和更换喷头时产生的流涎现象。研究成果可以为FDM-3D打印机喷嘴结构的设计优化提供参考。     

FDM工艺参数对制件表面质量的影响分析与实验研究

为了提高FDM工艺下的制件表面质量,通过分析分层高度、打印头的移动速度、喷嘴挤出速度等工艺参数,得到阶梯表面误差与分层高度之间的关系。建立丝宽补偿模型,得到打印制件表面成型质量的评价因子。通过实验研究,验证阶梯表面误差与分层高度和角度之间的关系,以及不同分层高度下,打印头移动速度和喷嘴挤出速度与表面质量之间的关系。可知当分层高度为0.1 mm,打印头移动速度为33 mm/s,喷嘴挤出速度为29.2 mm/s时,制件表面质量可达6.4μm,具有一定的实际应用价值。     

回转式FDM连续挤出喷头

针对目前FDM挤出喷头存在的挤压力小、易堵塞及流道较长而易产生喷嘴出丝滞后的缺点,提出了一种回转式的连续挤出喷头,同时还分析和测试了它的挤压轮的应力集中现象,为熔融挤出的快速成型(FDM)提供了新途径。     

回转式FMD连续挤出喷头

针对目前FMD挤出喷头存在的挤压力小、易堵塞及流道较长而易产生喷嘴出丝滞后的缺点，提出了一种回转式的连续挤出喷头，同时还分析和测试了它的挤压轮的应力集中现象，为熔融挤出的快速成型（FDM）提供了新途径。     

高温高流速环烷酸冲刷腐蚀流场数值模拟研究

采用CFD技术对高温高流速环烷酸喷射试验装置的流场进行数值模拟,主要分析了喷嘴至壁面距离H、喷嘴出口流速U和流体温度T的变化对喷嘴外部区域流场分布情况的影响。结果表明:随着U的增大,H和T的减小,壁面剪切应力逐渐增大;近壁处湍流强度随U的增大和H的减小而增强;减小H能增强喷射流体冲刷效果,但是H过小时,喷嘴出口压力过大,影响设备安全运行。为了提高试样壁面冲刷腐蚀效果,达到加速试验和安全运行目的,建议H取4～8 mm为宜。     

基于琼脂-明胶颗粒的海藻酸钠三维打印工艺研究

为了突破打印复杂结构的限制,确定支撑材料的合适配比,研究打印参数对挤出成型工艺的影响,将琼脂-明胶颗粒作为支撑材料,研究海藻酸钠三维打印工艺。介绍了琼脂-明胶颗粒支撑材料的制备方法,分析了不同气压、不同喷头移动速度及不同温度下的海藻酸钠三维打印效果。通过试验确认:琼脂浓度1.5%～3.5%、明胶浓度1%～2.5%是制备琼脂-明胶颗粒支撑材料的最佳配比范围;喷头移动速度4～10 mm/s、气压压力150 kPa～200 kPa、凝胶温度31～33℃是较为合适的海藻酸钠三维打印工艺参数范围。所研究的三维打印工艺为凝胶类材料的复杂形状三维打印提供了技术参考。     

等离子体发生器的数值模拟方法

根据流体质量、动量及能量守恒方程和麦克斯韦方程组建立等离子体发生器的数学模型,包含一部分钨极以避免对阴极电流密度分布的假设,根据平均有效粘性系数与动力粘性系数之比判断等离子电弧所处的流动状态,用ANSYS有限元分析软件进行求解,得到不同类型的等离子体发生器所产生的等离子电弧的温度和速度分布,研究喷嘴尺寸、电极形状和等离子电弧类型等对等离子电弧特性的影响。结果表明,大孔道比的喷嘴产生的电弧温度更高,速度更大,孔道比甚至会改变等离子电弧的流动状态;与锥形电极的电弧在电极端部取得温度最大值不同,球形电极的电弧在约束喷嘴端口处得到温度最大值;转移型电弧比非转移型电弧具有更高的温度和速度。研究结果对等离子体发生器的数值模拟法研制具有重要的参考意义。     

基于FDM的PEEK丝材挤出工艺研究

采用差示扫描量热仪对PEEK的熔点温度进行了测量,确定了挤出成型加热温度范围;用毛细管流变仪对PEEK的流变性进行表征,研究了该材料在剪切速率下的流动性,并获得剪切速率—黏度和剪切速率—剪切应力曲线,为后期挤出成型工艺提供了重要的参考数据;为了精确控制PEEK挤出成型过程中的线径,研究了单螺杆挤出成型机挤出成型过程中主要工艺参数对不同线径的影响规律。实验结果表明:进料区温度370℃,送料区温度372℃,挤料区温度368℃,螺杆速度11.3 mm/min,收卷速度20 mm/min,牵引速度2.6 mm/min时,线径可控制在(1.75±0.05)mm范围内。     

基于FDM的低熔点金属牙模制备方法研究

对熔融沉积成形过程中丝材的受力情况进行了分析,分别建立了丝材进给力和挤出阻力数学模型以及有温度场影响情况下的力学模型;通过ANSYS Workbench软件对喷头温度场分布情况和挤出阻力进行有限元分析与计算,并对一定打印温度下的进给力和挤出阻力进行计算比较,得出在230℃~240℃范围内满足打印条件的结论。通过熔融沉积成型技术以低熔点金属材料制备具有一定精度的牙模,通过不同打印温度和不同分层厚度的制备实验发现:在240℃时初始层成型质量较好,同时分层厚度越小得到的牙模越精细。考虑到成型时间和成型质量,最终选择打印温度240℃、分层厚度0.2mm作为牙模制备的参数设置。     

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。     

聚氨酯耳廓软骨支架的快速成形工艺

在体外构建外形逼真、机械强度可调节的个性化耳廓软骨支架,是组织工程方法修复外耳耳廓缺损的重要方向之一。针对这一研究目的,采用基于快速成形原理的熔融挤出成形方法,使用颗粒状聚氨酯生物材料,通过搭建试验平台,设计一系列工艺因素对成形过程及支架力学性能的影响试验,研究制造耳廓软骨支架的最优工艺参数范围。试验发现:喷头温度影响材料挤出稳定性和弹性;成形室温度影响结构整齐度和层间结合度;送料速度和扫描速度,与挤出速度的匹配关系,影响出丝的均匀度和成形过程的稳定性;不同扫描速度的喷头所形成的温度场分布,影响已成形结构的弹性;成形过程存在最小局部反复造型面积;温度以及CLI数字模型离散处理参数,影响支架力学性能。结果表明,熔融挤出成形方法制备的聚氨酯材料耳廓软骨支架,不仅可以实现逼真的耳廓外形,还可通过控制各种工艺参数,得到接近天然耳廓的力学强度,以满足临床中不同病患的个性化需求。     

转子密封系统反旋流数值分析及实验研究

应用CFD软件FLUENT对带有反旋流的转子密封系统进行数值分析,运用Muszynska理论分析反旋流喷嘴数量与反旋流喷嘴流体入口速度对流体激振的影响,并进行实验验证。数值分析与实验研究的结果均表明,反旋流抑制流体激振是通过控制密封腔内流体的周向速度而实现的。在反旋流装置中,反旋的喷嘴数量越多,密封腔内流场越稳定,越有利于抑制流体激振的发生;反旋流的反旋速度存在一个最优值,在该反旋速度下能有效地抑制周向速度,且能避免流体反向的周向旋转而造成的更大振动。     

聚醚醚酮熔融沉积成形强度工艺参数的优化

为了提高聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)熔融沉积成形(Fused deposition modeling,FDM)强度,利用正交试验方法研究了FDM打印工艺参数与力学性能之间关系。对喷嘴温度、打印速度和填充角度等影响因素下PEEK样件的力学性能进行对比分析,研究现有条件下最优打印参数,提高成形质量。结果表明各个工艺参数对试验结果的影响程度不相同,影响最为明显的是喷嘴温度,其次是填充方式,打印速度对试验结果的影响较小。最佳工艺参数组合为:喷嘴温度420℃,打印速度10mm·s~(-1),填充方式0°。改善工艺参数后可提高PEEK成形件的强度,制造出的个性化假体的力学性能能够满足临床使用的要求。一例PEEK假体已经成功应用于临床,为其在临床上的广泛应用奠定基础。     

旋芯雾化喷嘴流场特性的数值模拟

为了进一步提高直通喷嘴的雾化效果,确定喷嘴内置装置对喷嘴内部流场的影响,在同一个直通喷嘴内部加入一个内置旋芯装置,对这两种喷嘴在相同的流体介质、相同的进口速度和相同的出口压力条件下做了相应的数值模拟。     

新型细水雾灭火喷头的研制

为了解决细水雾喷头喷雾保护半径小的问题，研制了一种新型细水雾灭火喷头。该喷头由一个喷头壳体、连接体以及多个喷嘴组成。在CFD仿真中，将两级雾化喷嘴的速度场和水体积分数分布与单级雾化喷嘴的对应仿真结果分别进行对比，并优化了两级雾化喷嘴的结构参数。试验测量了雾滴直径、喷雾密度分布并和仿真结果进行对比验证。介绍了细水雾灭火试验的装置和测温方法并采用研制的喷头进行了细水雾灭火试验。研究表明，该喷头具有2m的喷雾保护半径，采用该喷头产生的细水雾具有高效的灭火能力,在消防领域具有实用价值。