光固化三维打印快速成形关键技术研究

发布时间：2020-06-28 09:13

【摘要】： 随着经济的全球化，市场竞争将越来越激烈，产品能否快速响应市场已经成为企业竞争胜败的关键，因此，对能够提高新产品开发成功率、降低产品开发时间和开发成本的快速成形设备的需求将越来越大。同其它主流快速成形技术相比，三维打印快速成形技术在成形速度、可成形材料种类、设备价格、运行和维护成本等方面具有明显优势，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景，代表着快速成形技术的发展方向。根据三维打印快速成形技术发展的趋势，结合我国工业生产的需要，本文主要开展了光固化三维打印快速成形技术的研究，致力于开发具有自主知识产权的经济型光固化三维打印快速成形设备。论文的主要研究内容如下：对喷射液滴在成形表面上的扩展和再融合过程进行了理论分析，经计算确定了在作者设计的光固化三维打印快速成形系统中，XY平面上的实际打印分辨率要求应不低于300dpi，Z轴方向上的最小成形层厚为0．011mm。对光固化三维打印快速成形工艺中材料固化过程进行了理论分析，得到了最大固化深度与紫外灯的运动速度之间的关系，以及打印头沿X轴运动速度与切片厚度应满足的关系。基于保证使用性能和降低设备硬件成本的思想，进行了光固化三维打印快速成形原型机的机械系统、控制硬件系统和控制软件系统的总体规划和结构设计，为开发出具有自主知识产权的光固化三维快速成形设备奠定了基础。根据光固化三维打印快速成形技术中单层成形加工所需要的控制状态数，采用了2张单色位图来表示光固化三维打印快速成形系统中的层面数据，一张表示实体数据信息，另一张表示支撑数据信息。位图数据的生成采用扫描线填充方式，结合快速成形系统中CAD模型经切片后得到轮廓环数据的特点，提出了一种基于轮廓边的位图生成算法。该位图生成算法很好地解决了用常规的活性边表法难以判断和处理的当扫描线通过水平轮廓边所带来的奇点问题。实现了基于该方法的光固化三维打印快速成形层面实体位图生成算法和支撑位图的快速求解算法。根据光固化三维打印快速成形系统中层面位图数据的特点和常用无损位图数据压缩方法的不足，设计了一种基于字节的位图数据无损压缩方法。该位图压缩方法充分利用了光固化三维打印快速成形系统中层面位图数据的特点，压缩比高，经过对多个CAD模型的位图数据的压缩比较，最小压缩比为12．1：1，最大压缩比达53．9：1。该位图压缩方法在对位图数据进行压缩和解压的过程中，不需要进行复杂的计算，速度快，耗时少，对光固化三维打印快速成形系统这种有成百上千层位图数据需要处理的场合不会构成瓶颈，较好地满足了光固化三维打印快速成形系统中对数据压缩的要求。分析了多目标优化基准算法——第二代非支配排序遗传算法的不足，提出了相应的改进措施，在此基础上提出了一种新的多目标优化算法——非支配排序均匀遗传算法。通过仿真测试表明非支配排序均匀遗传算法在求解精度、计算效率和避免算法陷于局部最优解方面具有明显优势。研究了光固化三维打印快速成形工艺中零件制作方向对制件表面质量、所需支撑和制作时间的影响。提出了将基于Pareto最优原理的多目标优化方法用于零件制作方向优化求解的新思路。用本文提出的非支配排序均匀遗传算法进行零件制作方向的优化计算，表明其不仅可以求出比单目标优化方法更优的零件制作方向，而且在一次优化计算中就可得到多个在一定权重分配下零件的最优制作方向。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP334.8
【图文】：

三维打印,成形,粉末,工作原理

1.2.1粉末粘结成形三维打印粉末粘结成形三维打印是通过打印头喷射(打印)粘结剂将粉末材料逐层粘结成形以得到制件的成形方法。其工作原理如图1一1所示，首先在成形室工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着打印头按照零件截面形状，将粘结剂材料有选择性地打印到已铺好的粉末材料上，使零件截面有实体区域内的粉末材料粘结在一起，形成截面轮廓，一层打印完后工作台下移一定高度，然后重复上述过程「’4〕。如此循环逐层打印直至工件完成，最后除去未粘结的粉末材料并经固化或打磨等后处理，得到成形制件。户-盛爪晤慧铺粉打印循环工作台下移叮卿秒图1一1粉末粘结成形三维打印的工作原理由粉末粘结成形三维打印的工作原理可知，基于该技术的三维打印快速成形系统主要应由以下几部分组成:打印头及其控制系统(包括打印头、打印头控制和粘结剂材料供给与控制)、粉末材料系统(包括粉料储存、喂料、铺料及回收)、三个方向的运动机构与控制(包括打印头在X轴和Y轴方向的运动，工作台在Z轴方向的运动)、成形室、控制硬件和软件。由于未粘结的粉末材料可以作支撑

模型图,头颅,连体,模型

然后采用以色列oBJET公司的光固化三维打印快速成形机制作出了精确的连体婴儿头颅模型(如图1一3所示)，根据制作的婴儿头颅模型在开展分离手术前进行了镇密的方案研究，最后只用了22个小时就成功地完成了分离手术，而以往相类似的手术则需要长达97小时以上[13，16]。图1一3连体婴儿的头颅模型利用三维打印快速成形技术制造的功能原型件可以用于产品的结构设计检查，装配干涉检验，静、动力学试验、物理和机械性能试验、风洞试验、人机工程试验

【引证文献】