面向3D打印的流体沉积成形过程动力学特性研究

摘要

流体沉积成形是一种利用外部扰动驱使流体材料以微滴或微丝的形式喷出或挤出，于基板上逐层堆积固化成型的增材制造技术，根据最小沉积单元的不同（微滴/微丝）分为均匀微滴喷射(UDS)3D打印技术、基于挤出的增材制造技术(E-AM)，易于操作和维护、材料适用范围广、制件无需后处理。然而，由于材料从沉积到固化成形是由自由表面流与传热相互耦合而成的非线性过程，成形重复精度低。为保证制件的成形精度，必须对成形过程中的每个环节（材料离散-沉积-成型）进行精确控制，这就需要研究成形过程动力学特性。因此本文首先建立了喷管流量预测模型，实现喷口流量的精确预测，在此基础上调控喷头参数，使喷头产生大小可控且一致性较好的流体微元；然后，针对均匀微滴喷射3D打印技术，深入研究了微滴初始温度、基板温度、碰撞速度等参数对微滴最终外形以及重熔的影响；最后，针对基于挤出的增材制造技术，研究了多孔隙结构件（组织工程支架）的成形机理，并对其孔径及孔隙率等特征进行了表征。论文主要工作及研究成果如下：　　1)建立流量模型，调控打印参数。根据喷管的几何特征、材料的幂律特性建立了喷管流量模型，并在此基础上针对实际应用建立了系统变量参数模型，实时监测喷口流量；然后，通过正交试验调控喷射参数，使系统连续产生大小可控、一致性较好的微滴；最后，利用三维仿真模拟微注射过程，通过合理设置基板运动速度，得到了尺寸理想和形状均匀的微丝，结果表明：流体的幂率指数对流体流变性的影响比稠度显著，当流体的稠度取较小值、幂率指数取较大值时模型较为准确；一个喷射周期内，合适的挤出量是产生微滴的关键，挤出量过多时就会产生卫星滴或者直接形成射流，挤出量过少则无微滴产生；打印速度对微丝高度和宽度都会产生影响，且两个尺寸都随着速度增大而减小，但对宽度的影响明显大于其对高度的影响。　　2)研究多场耦合作用下微滴沉积成形过程动力学特性。建立3D数值模型模拟金属微滴沉积固化过程，定性分析了微滴的固化时间、固化角与沉积参数之间的关系，建立了固化时间预测模型、固化角解析模型。结果表明：碰撞速度与微滴初始温度之间的强耦合作用使得固化角呈非单调性变化，重熔深度随碰撞速度的增加而增加；若要保证固化时间预测模型的准确性，需要根据重熔状态调整热阻修正系数ξ的值；仅当rb/cos（θ/2）的比值为常量时，所构建柱体才能保持直径的一致性。　　3)研究微注射成形多孔隙结构的成形机理。通过仿真研究了组织工程支架成形过程的流场、温度场及孔特征的变化，结果表明：孔隙大小随支架层数的增加而减小；孔隙高与孔隙大小满足线性关系；孔隙率大小随着支架层数的增加并不呈单调性，但总体上呈减小趋势。

目录

声明

选题依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 面向3D打印的流体沉积成形技术分类

1.3 课题研究意义

1.4 国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 流量建模及参数调控

2.1 引言

2.2 压力-时间系统动态建模

2.3 流量模型验证

2.4 流量参数模型

2.5 喷射参数调控

2.6 挤出参数调控

2.7 本章小结

3 微滴沉积成形过程动力学特性研究

3.1 引言

3.2 微滴沉积过程数值模型

3.3 结果及分析

3.4 本章小结

4 微注射式3D打印过程动力学特性研究

4.1引言

4.2 组织工程支架成形过程数值模拟

4.3 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录：硕士学位期间发表的学术论文及申请专利