微流挤出成形工艺挤出胀大机理研究

微流挤出成形是陶瓷快速成形领域的一种新兴工艺,由微流挤出成形工艺和3D打印技术结合形成的陶瓷浆料3D打印,具有陶瓷成形过程简单,成本低的优势。在陶瓷浆料3D打印中,陶瓷浆料挤出过程存在挤出胀大现象,导致挤出丝的形状发生改变,降低了陶瓷产品的成形精度。通过ANSYS软件对不同流道结构下陶瓷浆料挤出过程进行模拟分析,对不同流道下陶瓷浆料挤出胀大情况进行对比,并对挤出压力和挤出口挤出速率进行模拟计算。结果表明：影响陶瓷浆料挤出胀大的因素有陶瓷浆料在流道截面变化处的弹性效应以及在挤出头内的弹性回复,最后进行陶瓷浆料挤出实验对仿真结果进行验证。     

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°。     

水溶性氧化钙陶瓷型芯的挤出式3D打印参数优化与表面精度控制研究

挤出式3D打印成形水溶性氧化钙陶瓷型芯可高质高效成形复杂内腔铸造构件,铸件内腔的残留型芯用水溶解即可快速清理,在复杂内腔构件精密铸造领域具有较大的应用潜力。以针头内径、层高/内径比值、打印速度和内部填充方向四个关键工艺参数进行四因素三水平正交试验,通过对不同工艺参数的3D打印成型坯体进行表面粗糙度测量与统计,采用极差分析确定各个打印参数对坯体表面质量影响的主次顺序,并得到挤出式3D打印氧化钙陶瓷型芯的最优打印参数。结果表明,内部填充方向对型芯坯体表面成形质量有显著的影响,当内部填充方向与外轮廓呈45°和90°时,内部填充浆料与外轮廓层有较多的拐点,拐点处的成形方向发生突变,进而造成挤出压力方向发生突变并作用于外轮廓层,外轮廓层变得凹凸不平,层层堆积成形的坯体表面粗糙度较大、表面质量较差。当针头内径为0.41 mm、层高/内径比值为70%、打印速度为20 mm/s、内部填充方向与外轮廓层平行时,坯体表面粗糙度最小,型芯坯体表面质量最好。通过增加外轮廓层数来可以有效地减小甚至消除填充方向对坯体表面粗糙度的影响,当外轮廓增加至两层时型芯坯体表面粗糙度降低了近22%,这对水溶性陶瓷型芯的快速精...     

挤出式3D打印机压力系统的模糊自适应控制

陶瓷浆料的挤出成形系统具有较强的参数时变性,传统的PID控制方法难以精确控制实现挤出压力的快速稳定,造成料筒内陶瓷浆料受力紊乱,影响挤出丝的成形质量进而影响陶瓷制件的精度。针对以上问题,对陶瓷浆料挤出过程中的压力变化进行分析,在传统PID控制的基础上,引入模糊自适应PID控制方法控制打印系统的挤出过程,并进行了过程仿真和实验。结果表明,模糊自适应PID控制方法优于传统PID控制方法,可以快速有效地稳定挤压力,提高陶瓷零件成形质量。     

挤出沉积成型工艺参数优化研究

通过挤出沉积成型试验,对骨组织工程支架的成型工艺参数进行研究,以提高同轴骨支架组织工程的成型质量和力学性能。方法:首先采用田口法和方差分析法对打印参数进行了优选,其次分析了工艺参数对成型质量和力学性能的显著性影响,最后通过优选的工艺参数对实验结果进行了预测和分析。结果:结果显示,挤出沉积成型最优参数组合为喷头内外芯直径0.6 mm/1.5 mm,层高1.5 mm,打印速度30 mm/h,内芯材料配比1∶1.5;对骨支架特性影响的显著性由强到弱依次为层高、打印速度、内芯喷头直径和内芯材料配比。结论:验证实验结果表明,成型质量和力学性能实验值的信噪比与预估信噪比非常接近,说明挤出沉积成型工艺参数的优化对骨组织工程支架的成型质量和力学性能的提高是十分有效的。     

基于螺杆泵送料的陶瓷三维打印机挤出机理

微流挤出堆积成形精度主要受打印材料和工艺参数的影响。为了提高陶瓷制件的打印精度，采用螺杆泵输送浆料，以保证浆料连续进给、压力恒定，实现非连续打印；对打印材料进行流变特性分析，根据打印平台结构参数计算挤出速度与流量；最后，建立数学模型，将材料流变特性与平台运动参数合理匹配，并进行了相关实验。实验结果与理论计算结果相一致，验证了送料机构与该数学模型可提高打印精度。     

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite, CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA, CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。     

电喷印喷头位移参数对三维成型精度的影响

电喷印技术是一种新型的微结构成型技术,其由于具有成型精度高、制造成本低、设备结构简单、打印材料广泛等特点,备受业界关注。而基于液态成形的电喷印技术对于三维图形的打印方法,对其实际图形及打印质量难以直接观测,因而快速有效的控制打印三维图形的精度和质量面临重大挑战。本研究提出了一种通过合理设置打印线间距和层间距,以控制打印三维图形的精度和表面质量的有效控制方法。同时,建立了线间距、层间距等工艺参数与最佳成型质量的理论模型,以打印线横截面层高作为评价指标,通过实验探究了喷头逐线逐面打印移动距离对三维图形沉积形貌的影响。研究结果分析、揭示了电喷印技术中上述工艺参数对三维图形的影响及其规律,并进行了三维实体成形试验。基于接触角、喷射流量等因素对线间距和层高的影响的模拟仿真,为基于电喷印技术的三维成型工艺提供指导意义。     

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。     

GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究

甲基丙烯酸酐明胶(Methacrylatedgelatin,Gel MA)是具有光敏官能团的改性明胶,有良好的生物相容性,广泛用于构建皮肤、神经等软组织支架。然而,光照交联单一成分的GelMA,其力学性能和结构维持性较差,难以通过挤出3D打印成形生物支架。提出一种适用于挤出式打印且力学性能增强的GelMA复合凝胶,其主要成分为GelMA、明胶和海藻酸钠。黏度测试试验筛选出适合挤出3D打印的复合材料配比,3D打印工艺试验研究和分析了打印气压、喷头移动速度、喷头高度、光照条件对挤出连续性和微丝直径的影响。当喷头内径为200μm时,GelMA复合凝胶实现顺畅出丝(φ293～1211μm)的条件为气压在0.05～0.25 MPa,打印速度为1～15 mm/s,喷头高度为200～600μm,光照强度为70～272.56 mW/cm~2。拉伸试验表明光照交联后,复合凝胶较之同浓度Gel MA(5%,w/v)的弹性模量提高近1倍,伸长率保持一致。细胞培养试验显示GelMA复合凝胶具有良好的生物相容性,包埋在其内部的人真皮成纤维细胞培养至第7天时存活率达85%。     

Effects of manufacturing process and surface treatments on mechanical properties of PLA/SCF composites using extrusion printing

Short carbon fiber (SCF) reinforced polylactic acid (PLA) composites were fabricated by extrusion printing, and the effects of process parameters and surface treatments on the mechanical properties of composites were studied. Based on the rheological properties of composites and the extrusion process simulation, pure PLA specimens and PLA/SCF specimens were manufactured under different printing parameters. Three kinds of surface treatment were adopted to improve the mechanical properties. The experimental results show that SCF can effectively improve the tensile strength and bending strength, but the compressive strength decreased. The specimen had the best mechanical properties when the layer height was 0.1 mm and the nozzle diameter was 0.6 mm. The mechanical properties can be further improved by coupling agent coating method, and the compressive strength was even higher than that of pure PLA specimen. The research in this paper can provide a reference for the fabrication of thermoplastic composites with excellent mechanical properties by extrusion printing.

     

Droplet deviation modeling and compensation scheme of inkjet printing

The depositing quality accomplished by inkjet printing process is significantly affected by droplet positioning accuracy which plays an essential role in formation performance and printing efficiency. However, the droplet deviation induced by various factors is rarely studied specifically because most researchers mainly concentrate on the dynamics and mechanics of droplet and ink-substrate interaction to enhance the printing precision. In fact, among all the contributing factors to droplet deviation, the relative motion between nozzle and substrate tends to cause the ejected droplet to deflect from its desired position and the deviation is inevitable as long as the existence of horizontal velocity. The error brought about by this phenomenon is commonly negligible in the majority of current studies with the assumption of slow relative horizontal speed between nozzle and substrate. But it is not always acceptable to keep a quite low horizontal translation speed which would result in inefficiency of printing. In order to satisfy the demanding requirements in efficiency and accuracy of inkjet printing, some strategies are proposed to mitigate the droplet deviation out of the above phenomenon in this paper. An adaptive approach to nozzle feedrate control with a look-ahead algorithm is presented in this paper to compensate the errors by means of reconstructing the tool paths with deviation prediction in advance based on the feedrate profile and the geometrical characteristics of tool paths. The error model is established with full consideration of different circumstances influenced by droplet deviation and is subsequently integrated into the control process of the nozzle feedrate. The practical implementation demonstrates the effectiveness and feasibility of the proposed method.     

具有电磁阀微喷功能的3D打印机构建及应用

3D打印技术已经在生物医学、传感器制造等领域得到广泛应用。然而,传统3D打印机由于自身工作方式的不同,适用范围不同,难以同时兼容生物制备和传感器制备。因此,以电磁阀作为3D打印机的喷头,自主设计并构建具有独特工作方式的3D打印机,将高精度液滴分配方式应用于3D结构打印。研究料筒气压、电磁阀开关时间、喷头高度对打印液滴直径的影响,并对点、线、网、面图案的打印质量进行评估;利用所构建的打印机制备具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和阵列式柔性压力传感器,测试组织工程皮肤的细胞活性及压力传感器的压-阻转换特性。结果表明,打印液滴直径尺寸与料筒气压、喷头开启时间、喷头高度均成正相关;3D打印机对点、线、网、面图案的打印效果较为理想;可成功应用于具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和柔性压力传感器的制备。所构建的3D打印机融合喷墨式打印机和挤出式打印机的优势,对打印墨水有较好的兼容性,具有打印方式简单、打印速度快、成型质量高的优点,对组织工程皮肤及柔性压力传感器的研究具有重要意义,为实现具有感知功能仿生皮肤的制备奠定基础。     

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。     

Rapid prototyping machine based on ceramic laser fusion

This paper proposes an automatic machine using a new process, ceramic laser fusion, for rapid fabrication of ceramic parts. The machine comprises three parts: a laser scanning system, a green layer paving system, and a control system. In order to control the working procedure of layer paving and scanning process, a process computer is connected to an X–Y table, a PLC and a path/laser controller. An even green layer of 0.15 mm thickness could be paved accurately using ceramic slurry by a layer paving device. After drying by an infrared heater, the green layer could be fused to form a ceramic layer by a CO₂ laser and then a 3-D ceramic workpiece could be fabricated layer by layer automatically. The time spent on fabricating a 25×25×0.15 mm ceramic specimen was 3 min. The SEM micrograph of the melted ceramic layers shows that ceramic green layers can be fused together.     

An application of ESD technology for the R2R printing process

The conductive coating method is used for various industrial fields. For example, the sputtering process is used to coat the ITO layer in LCD or OLED panel manufacturing process and fabricate a base layer of substrate of an electric printing device. However, conventional coating processes (beam sputtering, spin coating etc.) have problems in the industrial manufacturing process. These processes have a very high cost and critical manufacturing environment as a vacuum process. Recently, many researchers have proposed various printing processes instead of conventional coating processes. We propose an ESD printing process in ITO coating layer and apply to fabricate a conductive coating film. Furthermore, the effect of the nozzle and also the applied voltage on different configurations of the nozzle head was also studied for better understanding of the electro static deposition process.     

微纳增材制造微圆柱结构的形貌分析与工艺优化研究

针对目前亚像素微扫描的LCD式光固化3D打印技术在微纳结构增材制造中存在的典型打印瑕疵,通过优化打印工艺和分析打印结构,以提高打印成型质量和生产效率。首先,通过对打印材料后处理工艺研究,设计单因素试验并打印平板模型,分析后固化时长对零件硬度、粗糙度及形貌影响规律。其次,结合打印工艺参数,设计正交试验并打印圆柱阵列模型,分析打印层厚、曝光时间、振动次数对微圆柱成型的影响规律。结果表明：后固化时间在5～10 min时,后固化效果最优,此时表面粗糙度Ra值约为29 nm,邵氏硬度在88 HD左右。打印工艺参数对微圆柱直径尺寸影响大小排序为：曝光时间>打印层厚>振动次数。在均衡打印质量和打印效率的前提下,打印参数优化后,打印直径50 μm,高度210 μm的微圆柱结构应采用打印层厚10 μm,曝光时间2 500 ms,振动次数64 x的打印工艺参数。     

陶瓷浆料微流挤压成形关键问题研究

利用流体力学理论,针对基于微流挤压成形的陶瓷浆料挤出过程的关键部件挤压凹模的流道形状进行了设计,使用ANSYS软件对挤压凹模出口横截面的流速和流道内部压力场的分布情况进行模拟,分析了四种不同流道形状挤压凹模内部压力场和出口流速的分布规律。研究结果为解决陶瓷浆料挤压成形工艺的难点问题提供了理论依据,具有重要的参考价值。