微液滴喷射的3D打印机系统设计与研究

摘要

3D打印技术起源于20世纪90年代中期，是目前应用较为广泛的快速成型技术，它具备成本低、设施体积小、系统可靠性高、成型速度快等优点，具有巨大的应用潜能和市场前景。随着科学技术的发展，现如今3D打印技术已经不仅仅应用于传统的制造业。微液滴喷射技术起源于3DP(Three-Dimensional Printing)技术，使用粘结剂将粉末材料粘结起来，是近年来发展较快的快速成形新技术的一种，主要应用于生物医学工程、微型机电制造、高分子材料制备、生物芯片等领域。它采用微型喷射头，能喷射体积较小的液滴从而实现精密制造。智能材料的研究是十分具有发展前景的领域，随着3D打印技术的发展，研究人员也越来越多的将3D打印技术应用到智能材料的制备中去，以求得到形状复杂、性能更优的智能材料。
　　本文将3D打印、微滴喷射技术和智能材料IPMC(Ion-exchange polymer membrane metal composite)的制备联合在一起，研究适用于IPMC基膜打印的3D打印系统，原材料为Nation溶液。
　　首先，论文对3D打印技术及国内外研究进展进行详细介绍，介绍了微液滴喷射技术及其研究进展，并对本课题的研究意义以及主要研究内容进行了介绍;
　　其次，确定了系统的总体设计方案，主要包括机械系统、硬件系统和软件系统的设计方案;研究了压电喷头的工作原理及压电喷射理论，并分别在MATLAB和ANSYS里分析给定驱动电压下的喷射速度;
　　然后，针对3D打印机的成型工作平台进行数学建模，在MATLAB/Simulink中进行仿真计算并比较了普通PID控制和模糊PID控制的结果，接着对工作平台内热敏电阻的温度/阻值关系进行标定，搭建半实物仿真实验平台;设计供液系统，结合微液滴压电式喷头和压电陶瓷驱动电源，完成微液滴喷射供液模块的设计。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 3D打印技术

1．2 3D打印国内外研究现状

1．3 微液滴喷射

1．4 微液滴喷射技术的国内外研究现状

1．5 论文结构以及主要内容

第2章 微液滴喷射3D打印机系统设计方案

2．1 机械结构设计方案

2．2 硬件电路设计方案及部分电路设计

2．2．1 硬件电路方案

2．2．2 步进电机控制电路

2．2．3 喷头驱动控制电路

2．2．4 温度控制电路

2．3 软件系统方案

2．3 本章小结

第3章 压电喷头原理及仿真分析

3．1 压电喷头的工作原理

3．2 压电效应

3．3 压电喷射的数学模型

3．4 压电喷头仿真分析

3．4．2 ANSYS/CFD仿真

3．5 本章小结

第4章 工作平台温度控制方案及分析

4．1 模糊PID控制器设计

4．1．1 模糊控制介绍

4．1．2 模糊PID控制器设计步骤

4．2 模糊PID控制与普通PID控制的比较

4．2．1 普通PID建模仿真

4．2．2 模糊PID建模与仿真

4．2．3 控制结果比较

4．3 半实物仿真控制实验设计

4．3．1 热敏电阻的温度标定实验

4．3．2 实验平台搭建

4．4 本章小结

第5章 微液滴喷射系统设计

5．1 系统总体设计

5．2 微液滴喷射模块

5．2．1 微液滴喷头

5．2．2 压电陶瓷驱动电源

5．3 供液模块

5．3．1 供液模块的功能与结构

5．3．2 组成器件的选择

5．4 微液滴喷射模块实物图

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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