三维打印成型控制与成型工艺研发
时间:  2017-06-29 08:34:15  | 浏览: 321

选择目前较为迫切的关键成型与控制技术重点进行研究与开发,主要包括数字化微滴喷射控制技术与系统开发、智能化运动控制技术和三维打印成型工艺研究。

1 数字化微滴喷射控制技术与系统研发

三维打印成型过程中,采用微滴喷射技术和三维打印技术,将含有材料微粒的浓悬浮液、UV光敏树脂或低熔点合金熔液,通过微细喷嘴实现数字化的分层微滴喷射,从而制得具有多种材料或多相材料的结构件。

在基于彩色三维模型的理论研究基础上,提出并研究了将零件的外部几何形状和内部材料组织相融合的数字化成型工艺——数字化微滴喷射成型技术。把上千个喷嘴(也可根据成型的需要增加或减少喷嘴的数量)设计成为一个喷射阵列,运用 “drop-on-demand(按需喷射)的喷射原理制造含有多材料的层片,在数字信号驱动下,使各工作腔内的流体材料形成离散的微滴或者一段连续的射流,以一定的速率从微细喷头喷射至指定位置,喷射的每个微滴精度可达1~10μm,能将低粘度的连续液体离散成微米级的微滴,按需喷射的每个微滴按照一定的序列堆积,形成三维实体零件。

本课题组开发的数字化微喷射技术利用外部压电驱动器提供驱动力采用惯性力、粘性力交替作用的驱动原理实现了微流体的驱动和数字化微喷射。微流体系统是微系统的一个重要分支。由于它具有尺寸小、无效体积小、功耗低、控制精度高、响应速度快等特点因此有着广阔的应用前景可用于化学分析、生物和化学检测、药物输送、分子生物学、食品卫生、环境监测等。

在三维打印领域,除了常温低粘度液体微喷,还有高温或高粘度液体微喷,为此,要进行不同粘度液体的微喷射实验,进行测试,期望取得最佳控制参数。

此部分将重点研发:

数字化微滴喷射技术的基础性问题。包括不同材料在微滴喷射中的流体特性、喷射特性、固化特性等均有差异,本项目将借助于合作单位的扫描电镜等一批仪器、设备和软件,以及本团队开发的快速成型系统及相关实验平台,重点研究微滴形成机理、材料在微细喷嘴中的微流体特性、光敏树脂微滴的固化机理、合金微熔滴的凝固机理、微滴表面梯度张力、微温度场、微应力分布等关键性基础性问题。

研发特种微滴喷射系统。包括微滴射单元、控制系统、CCD显微摄像系统、光电测试系统和控制软件,以保证三维打印设备能正常、准确、长时间地工作,降低设备维护成本,提高设备易用性和稳定性。

 2 智能化运动控制技术研究

运动控制技术主要实现三维打印成型系统的五轴协调运动,对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理,使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。此部分将重点研发集成化运动控制技术与系统,以及智能化的人机操控界面与软件。

其中智能化的人机界面包含四个部分,即用户、与用户进行交互的会话机、与任务交互的任务机、任务本身。使用多媒体技术,充分调动人的视觉、听觉和触觉与三维打印系统交互,使用网络技术进行各种信息的传输,将极大的方便用户。

 3 三维打印成型工艺的研究

本项目组主要以三维打印中最为常用的三种成型工艺作为研究对象:熔丝沉积制造(FDM)、喷墨型三维打印(3DP)、喷树脂型三维打印(3DP),其中喷墨型三维打印采用的材料为石膏基粉末,喷树脂型三维打印采用的材料为光敏树脂。

以喷墨型三维打印成型工艺为例,其工作流程为:在计算机中建立三维物体的计算机三维CAD实体模型,以彩色STLPLYWRL等数据格式存储成彩色三维模型,之后由彩色三维模型切片软件对其进行切片分层,得到一系列具有色彩信息的二维切片,取出每层的成型信息;计算机根据每一层的成型信息分别控制各机构做协调运动。制作开始时,计算机通过供粉槽控制器控制供粉槽导轨,使得供粉槽中的推料板上升一段距离,推出一部分成型粉末;同时,计算机通过成型槽控制器控制成型槽导轨,使得成型槽中的推料板下降一段距离;接着计算机通过滑辊控制器控制旋转滑辊把推料板上升一段距离而推出的成型粉末铺在成型槽的上方,在铺粉末的时候,旋转滑辊做逆时针运动把粉末铺平;之后,计算机通过喷头 X-Y 位置控制电路控制喷头托架做 X-Y 平面运动;与此同时,计算机通过喷头控制电路控制1200多个微型喷头做喷射动作,打印出该层图形;如此反复,一层层的打印并粘结,从而快速制作出彩色三维物体。为使喷射的粘结剂与成型材料更充分地反应以获得更好的机械性能,还需对刚加工的零件进行打磨、烘干等后处理。

其他两种工艺的原理与喷墨型3DP工艺类似,本项目中成型工艺方面将重点研究以下问题

研究成型材料在微滴喷射中的流体特性、喷射特性、固化特性等基础工艺。

研究微滴形成机理、材料在微细喷嘴中的微流体特性、光敏树脂微滴的固化机理、合金微熔滴的凝固机理、微滴表面梯度张力、微温度场、微应力分布等关键性基础性问题。

 预期成果:

研究多喷头常温低粘度UV树脂微喷方法与技术

研究单孔式高温或高粘度液体微喷方法与技术

开发高精度的特种微滴喷射系统,包括微滴喷头、控制系统、光电测试系统。

开发具有面向对象的开放式控制技术和具备系统重构能力的运动控制系统

开发和建立可实现批量生产的三维打印成型工艺






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