五轴熔融沉积成型三维打印装备及关键工艺研究

发布时间：2020-05-21 13:49

【摘要】：传统的熔融沉积成型(Fused Deposit Modeling,FDM)增材制造技术通常采用“分层制造,层层叠加”的方式制造三维模型。熔融沉积成型工艺因打印设备结构简单、价格低廉的优势,迅速成为最常见的三维打印工艺之一。但是熔融沉积成型工艺中的台阶效应与悬臂结构的支撑使用是限制其拓宽应用的严重阻碍。论文从五轴三维打印系统设计、基础打印模式设计、表面质量影响因素分析、材料静态挂流特性研究与材料动态挂流特性研究五个方面开展了研究。首先开展了五轴三维打印装备的设计。基于三轴熔融沉积成型打印平台,设计了适应性的变姿态平台,对基础平台进行了误差的测量与补偿使其精度达到安装与标定变姿态平台的要求,并对现有的挤出系统进行了免干涉设计,最后开发了面向五轴打印系统的控制系统。针对不同的典型打印问题,本论文设计三种面向五轴三维打印系统的基础打印模式:切向打印模式、法向打印模式与兼容打印模式。其中切向打印模式良好的解决了台阶效应;法向打印解决了悬臂部分的支撑结构问题,并拓宽了五轴打印的制造潜力;兼容打印模式集成了三轴打印与五轴打印模式,通过选择性的启动五轴打印模式兼顾了打印效率与打印质量。三种基础打印模式搭建起的方法体系具有开放性,允许新方法的拓展与补充。针对台阶效应导致的表面质量问题,研究了打印件表面粗糙度的影响因素,建立了表面粗糙度的数学模型,进一步提出了控制倾斜角度可以提高表面质量的观点并得到了实验的验证。针对悬臂结构在无支撑打印情况下表面质量下降的问题,本文提出了静态挂流的概念,建立了材料流动数学模型,提出了静态挂流现象的发生存在一个临界角度,并设计实验测得了该临界角度。最后论文针对五轴打印位姿调整导致的材料流动问题,提出了动态挂流的概念,分析了材料物理特性与五轴运动方式,根据粘性流体力学的相关知识建立了动态挂流的数学模型,并设计实验验证了数学模型的有效性,提出了动态挂流的有效规避策略。
【图文】：

打印机,产品,三维打印,熔融沉积

W丨剩}鑇逡逑图１．２典型三维打印件逡逑熔融沉积成型（ＦＤＭ）工艺是三维打印技术的典型工艺之一，也是目前普及度较高的逡逑一类三维打印工艺［｜２］。ＦＤＭ三维打印工艺筒单，成本低廉，，并且已经建立了良好的开源逡逑社区，对于其进一步发展和普及起到了积极的作用。图１．３邋（ａ）为一台典型的ＦＤＭ三维逡逑打印机的简图。ＦＤＭ三维打印机利用热塑性材料在熔融状态下的流动性与粘结性，将丝逡逑材加热至略高于熔化温度，在计算机的控制下，喷头完成运动过程并将熔融的材料挤出至逡逑指定的位置，热塑性材料在其自身的粘结性以及喷头施加的压力的作用下与底板或是已经逡逑冷却成型的材料结合，然后冷却至熔点以下凝固成型。喷头运动完成逐层的打印最终实现逡逑三维模型的整体制造。目前熔融沉积成型工艺在医疗设备个性化订制以及ＤＩＹ邋（Ｄｏ邋Ｉｔ逡逑Ｙｏｕｒｓｅｌｆ）等方面都发挥了重大的作用［１Ｍ６］。逡逑涵、３＇邋ｒ邋Ｘ）逦…了逡逑Ｉ：逦ｒｆｉｉ逡逑ｍ—遵一\l．．．．．．．．——．．．逡逑图１．３ＦＤＭ打印机结构筒图（ａ）及不同类型的打印机产品（ｂ

三维打印

熔融沉积成型（ＦＤＭ）工艺是三维打印技术的典型工艺之一，也是目前普及度较高的逡逑一类三维打印工艺［｜２］。ＦＤＭ三维打印工艺筒单，成本低廉，并且已经建立了良好的开源逡逑社区，对于其进一步发展和普及起到了积极的作用。图１．３邋（ａ）为一台典型的ＦＤＭ三维逡逑打印机的简图。ＦＤＭ三维打印机利用热塑性材料在熔融状态下的流动性与粘结性，将丝逡逑材加热至略高于熔化温度，在计算机的控制下，喷头完成运动过程并将熔融的材料挤出至逡逑指定的位置，热塑性材料在其自身的粘结性以及喷头施加的压力的作用下与底板或是已经逡逑冷却成型的材料结合，然后冷却至熔点以下凝固成型。喷头运动完成逐层的打印最终实现逡逑三维模型的整体制造。目前熔融沉积成型工艺在医疗设备个性化订制以及ＤＩＹ邋（Ｄｏ邋Ｉｔ逡逑Ｙｏｕｒｓｅｌｆ）等方面都发挥了重大的作用［１Ｍ６］。逡逑涵、３＇邋ｒ邋Ｘ）逦…了逡逑Ｉ：逦ｒｆｉｉ逡逑ｍ—遵一\l．．．．．．．．——．．．逡逑图１．３ＦＤＭ打印机结构筒图（ａ）及不同类型的打印机产品（ｂ，ｃ）逡逑熔融沉积成型工艺具有廉价、简单等优点，同时也存在着加工精度差，打印件表面粗逡逑糙等问题。作为三维打印技术的一种工艺，熔融沉积成型继承了其“分层制造、逐层叠加”逡逑的制造原则
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP334.8

【参考文献】