多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究与开发

摘要

随着3D打印技术的快速发展和广泛应用，单一材料的3D打印已经难以满足人们对产品的性能需求。人们对3D打印提出更高的要求:能够实现复合材料、功能梯度材料、变密度非均质材料的多材料多尺度打印;将不同的材料性能整合在同一打印零件中，实现材料、结构、功能部件的一体化设计和制造。多材料多尺度3D打印为可穿戴设备、电子产品和软体机器人带来更多新的可能性。多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向，具有巨大的潜能和广阔的应用前景。
　　针对目前多材料3D打印存在的问题，本文提出一种基于电流体动力学喷印机理的单喷头多材料多尺度3D打印新工艺。本文针对核心功能部件——多材料多尺度主动混合喷头，开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究，本文具体研究工作如下:
　　本文对多材料多尺度3D打印机的核心部件——主动混合喷头进行了设计，并详细介绍了各部分的功能。分析了主动混合喷头内部流体的混合过程和流场结构。结合了流体力学控制方程、湍流方程和浓度传输方程，详细介绍了主动混合喷头的混合机理，阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体粘度、体积力等因素对混合性能的影响规律。
　　结合理论分析，利用COMSOL仿真软件模拟主动混合喷头的混料过程，通过改变叶轮直径、叶轮转速和流体粘度，观察流体的混合状态，揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体粘度对于主动混合喷头混合性能的影响规律，验证了理论分析的正确性。
　　对多材料3D打印实验台进行整体结构设计，详细介绍了多材料3D打印的工艺流程，最终搭建起带有主动混合喷头的多材料3D打印实验平台。最后，利用多材料3D打印实验台制作了变刚度模型、功能梯度结构模型和微尺度模型三个典型实验案例，验证了对于主动混合喷头理论分析和仿真模拟的正确性。同时，证明了多材料3D打印新工艺在多材料多尺度零件制作方面的实用性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景、目的和意义

1．3 国内外研究l观状

1．3．1 多材料3D打印

1．3．2 多尺度3D打印

1．4 混合喷头的研究现状

1．4．1 被动混合喷头

1．4．2 主动混合喷头

1．5 电喷印的研究

1．6 论文的组织

第2章 多材料多尺度3D打印主动混合喷头设计与理论建模

2．1 多材料多尺度3D打印工艺

2．2 主动混合喷头

2．2．1 整体设计

2．2．2 功能介绍

2．3 主动混合喷头的混合机理

2．4 主动混合喷头的理论模型

2．4．1 流体控制方程

2．4．2 湍流模型

2．4．3 浓度传输方程

2．5 本章小结

第3章 主动混合喷头混合过程和规律的数值模拟

3．1 仿真软件

3．1．1 COMSOL Multiphysics简介

3．1．2 CFD模块简介

3．2 模型的建立

3．2．1 数学模型

3．2．2 物理模型

3．2．3 网格划分

3．2．4 初始条件与边界条件

3．2．5 计算方法

3．3．1 流场结构分析

3．3．2 混合过程分析

3．4 工艺参数对混合性能模拟和结果分析

3．4．1 叶轮直径对混合性能的影响

3．4．2 叶轮转速对混合性能的影响

3．4．3 流体粘度对混合性能的影响

3．5 本章小结

第4章 主动混合喷头的实验研究

4．1．实验平台的搭建

4．1．1 总体设计原则

4．1．2 系统总体设计

4．1．3 多材料3D打印的工艺原理与流程

4．1．4 主动混合喷头的组装

4．2 实验方法与步骤

4．2．1 实验步骤

4．2．2 实验准备

4．2．3 打印流程

4．3 变刚度模型打印

4．4 功能梯度结构模型打印

4．5 微尺度模型打印

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 创新与结论

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢