（机械电子工程专业论文）三维打印快速成型机理与工艺研究.pdf

论文题圈： 专 业： 硕士生： 指导老师： 三维打印快速成型机理与工艺研究 机械电子工程 李一欢 杨来侠 摘要 ( 签锄盔二邀 ( 签名) 红绁， 三维打印快速成型技术是目前最具有生命力的快速成型技术之一，适用于家用电 器、办公室用晶、建筑模型、医学模型等领域的薪产品开发。作为一种经济型快速成型 技术，它具有成本低、系统可靠性高，设备体积小、噪声小、成型速度快等优点，且产 品材料与颜色可多样化，具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。因此，开展三维打印 快速成型机理与工艺的研究，具有重要的现实意义。 本文分析了液滴的形成，液滴与介质表蕊的交互作用以及制件可能产生的各种缺 陷。系统地研究了液滴与介质表面的冲击、铺展、润湿和渗透的交互作用机理以及制件 缺陷的产生机理，为结构的设计、材料的选择和工艺参数的确定提供了依据。 三维打印快速成型制件的性畿除了受材料特性的影响终，还取决予成型过程的工艺 参数。这些参数包括：喷头到粉末层的距离、每层粉末的厚度、喷射速度、辊子运动参 数，每层成型间隔时间等。为了提高成型精度，采用正交法设计试验，对系统的工艺参 数进行了优化，对试验结果进行了商观分析和方差分析，得出影响制件性能的主要因素 是每层粉末的厚度。在其他工艺参数一定的情况下，制件的性能随层厚的减小而增高。 关键词：三维打印快速成型；成型机理；液滴喷射 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n dp r o c e s so f3 d - p r i n t i n g s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e：l iy i h u a n i n s t r u c t o r ： y a n gl a i x i a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ( 3 d - p r i n t i n g ) i so n eo ft h em o s tv i a b l et h er a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y , s u i tt on e wp r o d u c t sd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fh o m ea p p l i a n c e s ，o f f i c eb a s i c s ， a r c h i t e c t u r ea n dm e d i c a lm o d e l se t c a sak i n do fe c o n o m i c - r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , i t i so fl o w - c o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , c o m p a c te q u i p m e n t ，s m a l l e rn o i s ea n df a s tf o r m i n gs p e e de t c a n di ta l s oc a nm a k eap a r ti nd i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dc o l o r s i th a sa ne n o r m o u sa p p l i c a t i o n p o t e n t i a la n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ef o r m i n gm e c h a n i s ma n d p r o c e s so f3 d - p r i n t i n gi so fi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，d r o p l e t sf o r m a t i o n ，i n t e r a c t i o n sb e t w e e nd r o p l e t sa n dm e d i u ms u r f a c e a r ea n a l y z e d t h ei m p a c t ，p o w d e rs p r e a d i n g ，w e t t i n ga n dp e n e 仃m i o na r es y s t e m i c a l l y d i s c u s s e d ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c e sf o rs t r u c t u r ed e s i g n ，m a t e r i a l ss e l e c t i o na n dd e t e r m i n i n g o fm a n u f a c t u r i n gp a r a m e t e r s t h ep e r f o r m a n c e so fp a r tm a d ei n3 d p r i n t i n ga r em a i n l ya f f e c t e db yt h ep r o c e s s p a r a m e t e r si nf o r m i n gb e s i d e sm a t e r i a l s t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d e ：g a pb e t w e e nn o z z l et o w o r ks u r f a c e ，t h et h i c k n e s so ff o r m e dl a y e r , d e p o s i t e ds p e e d ，r o l lm o t i o np a r a m e t e r s ，a n d i n t e r v a lt i m eo ff o r m i n go ne a c hl a y e r i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c y , t h et e s ti sd e s i g n e d b yo r t h o d o x ym e t h o d ，t h ep r o c e s sp a r a m e t e r si so p t i m i z e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r e a n a l y z e du s i n gv a r i a n c ea n a l y s i s ，a n dt h e nm a i na f f e c t i n gf a c t o rf o rt h ep e r f o r m a n c e so fap a r t i st h et h i c k n e s so ff o r m e dl a y e r t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yp r o f i l e a n a l y s i sa n d t h ep e r f o r m a n c e so fap a r ti n c r e a s e sa st h et h i c k n e s so ff o r m e dl a y e ri n c r e a s e s k e yw o r d s ：t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g t h e s i s s p r a y i n g ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h f o r m i n gm e c h a n i s md r o p l e t 姿料技太学 学位论文独创性说明 本入郑重声明：所墨交的学缀论文是我个人在导师指导下进行酶研究正作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名叁一次日囊：函疹g 。文g 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向匿家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题樽撰写的文章一律注明作者单位为硒安科技大学。 保密论文褥解密后适焉本声臻。 学位论文作者签名奎一畎指导教师签名：扬矛猡， 2 夕d 汐年占月7 日 1 绪论 1 1 选题背景及意义 1 绪论 随着社会的需要和科学技术的发展，制造业的竞争也愈演愈烈，产晶的开发速度日 益成为市场的主要矛盾。在这种情况下，自主快速开发产品的能力成为制造业全球竞争 的实力和基础。面对激烈竞争的市场迫使制造企业必须以更快的速度设计、制造出性能 价格比高而且能满足人们需求的产品。成功的产品研发意昧以最低的成本，在最短的时 间里研发出一种高质量的产品。在这种情况下，如果用传统的制造方法，需要采用多种 机械加工机床、工具、模具，还要有高水平的技术工入，不慑成本高焉且周期长，根本 不能适应迅速发展的时代要求。因此，研究低成本、高效率的产品生产技术是解决这一 | 、巍题的关键i l 卜1 6 。 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ) 技术是2 0 世纪八十年代后期发展 起来的一种高新技术【3 】。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机 辅助设计和计算机辅助制造集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时 间内直接制造产品样品，无须传统的机械加工机床和模具。该项技术创立了产晶开发的 新模式，搜设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性磊迅速的验证和检查所 设计的产牖结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的 人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更薪换代的速度，降低了企业投资新产 品的风险，加强了企业引导消费的力度。这种样品可用于新产品的评价，也可用于制造 硅橡胶模具和熔模铸造模具等，从而批量生产塑料及会属零件。用这种方法制造样品较 传统法的显著优点是，制造周期大大缩短，成本大大降低 7 1 。 1 2 快速成型技术的概述 1 2 1 快速成型技术的基本原理 快速成型是由c a d 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总 称，采用的是“分层制造、逐层叠加 的制造思想【8 】。其基本过程是：首先设计出所需 零件的计算机三维模型，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离敖为一系列有 序的单元，通常在z 向将其按一定厚度进行离散，把原来的三维c a d 模型变成系列 的层片；再根据每个层片的轮癣信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最鹾由成型 系统成型一系列层片并自动将它们连接起来，得到一个三维物理实体f 9 1 。原理如图1 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 圈l 。1 快速成爱技零源理图 1 2 2 快速成型技术的分类 快速成型技术自上世纪8 0 年代后期出现至今，已经出现了几十种工艺。目前应用 比较广泛的典型工艺有f l o 1 3 】： ( 1 ) 光固化快速成型 光固化快速成型( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) 技术是目前世界上研究 最深入、技术最成熟、应用最广泛的实用化技术。 s l a 技术的常用原料是热固性光敏树脂。主要用于制造各种模具、模型等。还可通 过在光敏树脂中加入其他的材料成型。用制造出的原型代替熔模精密铸造中的蜡模等。 ( 2 ) 分层实体造型 分层实体造型( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) 技术是近年来发展起 来的又一种快速成型技术，它是通过对原料纸迸行层合与激光切割来形成零件。 l o m 技术常用的材料是纸、金属箔、陶瓷膜、塑料膜等，除了刻意制造模具、模型 以船，还可以直接用于制造结构件。这种工艺具有成型速度快、效率高、成本低等优点。 但是制件的粘接强度与所选的基材和胶种密切相关；废料的分离较费时间；边角废料多。 ( 3 ) 熔丝沉积造型 2 l 绪论 熔丝沉积造型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) 技术是采用热熔喷嘴，将 半流动的材料按c a d 分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉 积、凝固后形成整个原型或零件。这一技术也称为熔化堆积法、熔融挤池成模( m e m ) 麟 擎o f d m 技术的关键是得到一定粘度、易沉积、挤出尺度易调整的熔体。它用液化器 代替了激光器，所用材料主要是石蜡、塑料等低熔点材料和低熔点的金属，可直接制造 金属件和多种模型。 ( 4 ) 选择性激光烧结 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，简称s l s ) 将s l s 成型机粉床上的粉末 材料预热至材料熔融温度以下2 0 - - 3 0 ，然后根据制件几何形体各层截面的坐标数据， 在计算机的控制下，激光以一定的扫描速度和携量密度有选择地对材料粉末分层扫攒， 由于激光能量在选定的扫描轨迹上作用于粉末材料，使粉末材料粘接固化。 选择性激光烧结材料包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。需要专门的实 验室环境，使用及维护费用高；需要预热和冷却，后处理麻烦；成型表面粗糙多孔，并 受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；成型过程产生有毒气体和粉末，污染环境。 ( 5 ) 三维打印快速成型 三维打印快速成型( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，简称3 d p ) 技术的成型机理和工艺 是本文的主要研究内容，包括成型工艺原理、技术特点等。以下章节会对三维打印快速 成型详细分析。 1 3 快速成型技术的研究现状 1 3 。l 国外研究现状h 4 吃1 j 基于液滴喷射技术的三维打印快速成型出现仅十余年，受到国内外研究者的广泛关 注。1 9 9 2 年，美雪麻省理工学院s a c h s 等率先采用喷墨技术实现粘接溶液的选择性喷射， 逐层粘接粉末，最终获得三维实体；以胶体二氧化碳溶液作为粘接剂，对铝粉进行粘接， 每层粉末的厚度为0 。1 2 7 m m ，最小成型尺寸为0 。4 3 2 m m ，成型完成后进行烧结以提高制 件的强度。美国zc o r p o r a t i o n 公司在得到美困麻省理工学院的三维打印快速成型的授权 后，自1 9 9 7 年以来陆续推出了一系列三维打印快速成型机，主要以淀粉掺蜡或环氧树 脂为粉末原料，将粘接溶液喷射到粉末层上，逐层粘接成型所需原型制件。 c r a u 等( 1 9 9 8 年) 采用三维打印快速成型法制备了用于粉浆浇注的a 1 2 0 3 陶瓷模具， 与传统的石膏模具相比，其强度高，干燥时闻短，浇淀速度可控。美国s p e c i f i cs u r f a c e 公司则采用三维打印快速成型技术制造复杂的陶瓷过滤器。3 ( 0 0 等( 1 9 9 8 年) 采用三维 打印快速成型法将松散的a 1 2 0 3 陶瓷粉末粘接预成型，通过热等静压工艺提高胚料的致 3 西安科技大学硕士学位论文 密度，再进行烧结得到陶瓷制l 牛性能与传统加工方法相当。s c o s t a 等( 2 0 0 2 年) 对覆膜 t i 3 s i c 2 陶瓷粉末进行三维打印快速成型预成型，接着采用冷等静压工艺提高其致密度， 经烧结后制件的致密度从5 0 - - 6 0 提高到9 9 。 英囡b r u n e l 大学的e v a n s 等( 1 9 9 0 年) 将纳米陶瓷粉末配置必分散均匀的悬浮液，逐 层喷射成型，得到三维陶瓷零件，所研究的陶瓷材料包括z r o ，t i o l ，a 1 2 0 3 等。t e n g 等( 1 9 9 8 年) 对陶瓷悬浮液的沉积和粘度进行了全面的优化研究，采用连续液滴喷射装 臀获得了清晰的陶瓷图案。m o t t 等( 1 9 9 8 年) 用石墨为临时支持物，采用按需落下喷射 装置成型了1 2 0 0 层带有方洞和悬臂的陶瓷坯体。m o o n 等( 2 0 0 2 年) 对陶瓷粘接成型的 过程进行的实验和理论研究，发现粘接剂的分子量需小于1 5 0 0 0 才能满足喷射和粘接的 要求；除了粘接溶液的粘度和表面张力，粉末的性能如表面粗糙度、孔隙尺寸等对粘接 渗透动力学都有显著的影嚼。 g r i f f i t h 等( 1 9 9 7 年) 将氯仿液滴喷射到p l l a 和p l g a 粉末上，逐层粘接将得到肝脏 组织工程的支架实体，其孔隙直径可达8 0 0 p r o ，p l g a 粉末中含有氯化钠，用去离子水 进行过滤后可在支架中产生细胞生长所需要的微孔结构。l a m 等( 2 0 0 2 年) 用水作为粘 接溶液成型淀粉基聚合物支架，再浸入p l l a 和p c l 的二氯甲烷溶液以增加支架的机械 强度。l e e 等( 2 0 0 5 年) 先用三维打印快速成型颧骨支架的石膏模具，荐采用溶剂浇铸 一颗粒滤沥的方法得到最终支架，其孔隙均匀，连通性好，平均孔径约为1 0 0 1 5 0 9 m ， 克服了直接成型支架的局限性。 s a c h s 等( 1 9 9 2 年) 等还研究了直接金属液滴喷射成型工艺，其原理是将金属熔化 盾，采用某种方式( 如超声波) 振动熔腔，在喷嘴处得到金属液滴，然后在电场的作用下 定点定时喷射出来，堆积成型，其红宝石喷嘴直径为5 0 9 m ，试件层厚1 0 0 9 m ，可制造复 杂形状的金属结构件，如具有复杂内流道的叶片、具有复杂冷却流道的注塑模等。美国 加州大学o r m em 等( 2 0 0 0 年) 通过实验分析了影响液滴运动和定位的豳素，并对液滴 成型样件的微观结构和性能进行了入研究，所开发的设备样机可应用于电子封装、电路 扳印霉l 等半导体工业。 美国m i c r o f a b 公司( 1 9 9 5 年) 也对金属液滴喷射成型展开了研究，其生产的j e t l a b 成型系统通过改变压电系统的振动频率来控制喷头中气泡的状态，从而决定是否喷出焊 滴，均匀焊滴随着喷头在平面上的运动被准确地喷射到基板上，成型微细结构件或应用 于印刷电路板，目前该设备只能采用聚合物和低熔点焊丝材料，且价格昂贵。美国s a n d e r s 公司( 2 0 0 0 年) 则通过压电晶体挤压熔腔从丽喷射热熔性材料液滴，并通过电场使部分 带电金属液滴偏转聚焦，使液滴精确地喷射到基板上，逐层堆积成型金属原型制件，喷 嘴直径为0 。l m m ，喷射液滴直径为0 。3 - - 0 。4 m m ，成型精度为圭o 。0 2 5 m m ，使用材料为聚合 物或低熔点金属。 美国3 ds y s t e m s 公司的选择性液滴喷射采用呈线性排列的多个热喷头，有选择性地 4 l 绪论 一层层喷射熔化的热塑性塑料，其喷射液滴的直径为o 。0 7 6 m m ，分辨率可达3 0 0 d p i ，价 格便宜，使用方便。以色列o b j e tg e o m e t r i e s 公司开发的o b j e tq u a d r a = 维打印快速成型 设备，逐层喷射光敏聚合物液滴，并采用紫外线进行固化。其喷嘴共有1 5 3 6 个，层厚可 以达n o 。0 2m l n ，熊够建立光滑的表面，并实现细小特征的成型，对具有复杂几何形状 和复杂内部型腔的制件，还能够喷射第二种材料，以便建立支撑。 1 3 2 国内研究现状 基于喷射技术的三维打印快速成型同样受到国内学者的关注，并在一些领域形成了 自己的特点。华中理工大学马如震、刘进等强6 ( 1 9 9 8 年) 阐述了基于微小熔滴快速成型技 术的加工工艺和成型方法，并对振幅、温度、飞行距离、压电晶体的振动频率、扫描速 度和喷射频率等参数进行分折。天津大学陈松( 1 9 9 9 年) 等将液滴喷射技术应用到化工 造粒过程，生产粒径在l 一3 n u n 的粒状产品，并对喷射过程中射流断裂现象进行观察， 对射流断裂形成均匀液漓的流速、频率范围及喷头形状、材料特性、振动方向等因素影 响进行探讨。西安交通大学卢秉恒等( 2 0 0 1 年) 研制出一种基于压电喷射机理三维打印 快速成型机喷头，通过实验分析喷头形状，驱动电压，工作频率等参数对喷头流量的影 响。清华大学颜永年等( 2 0 0 2 年) 提出一种低温冰型快速成型技术，以水作为成型材料， 冰点较低的盐水作为支撑材料，通过选择性喷射和快速冰冻制造成型零件。颜永年等 ( 2 0 0 2 年) 还以纳米晶轻基磷灰石胶原复合材料和复合骨生长因子作为成型原料，采蔫 液滴喷射成型的方式制造出非均质、多孔结构的细胞载体支架结构，植入人体藤，在体 液和复合骨生长因子的共同作用下，依靠细胞载体支架结构诱导新骨生成，原有支架在 新骨长成之后逐步降解。中圈科技大学( 2 0 0 4 年) 自行研制了八喷头组合液滴喷射装置， 有望在微制造、光电器件以及材料科学中得到应用。 1 4 论文的主要工作 la l 论文的研究霹标 三维打印快速成型技术具有速度快、容易操作、无需支撑、材料类型广泛、工作过 程中无污染等优点，但是也存在成型制件表面较粗糙、强度不高等缺点，需要进一步研 究加以解决。在三维打印快速成型过程中，粘接溶液的粘度，表面张力，挥发率等性能 不仅决定了液滴熊孬均匀且稳定地形成，还对制件的形成过程和后处理时的收缩变形有 着直接的影响。此外，三维打印快速成型系统的工艺参数，如喷射扫描模式，粉末层厚 度和压实密度、喷嘴至粉未层的距离等参数对成型精度和速度等都有着直接的影响。 开发出具有工业潜力、速度高、精度好三维打印快速成型系统需要对液滴喷射机理、 液滴与粉术的作用过程进行分析，成型过程的工艺参数等进行试验研究。上述工作为整 5 西安科技大学硕士学位论文 个论文的研究目标。 1 4 2 论文的研究内容 ( 王) 成型机理分析 三维打印快速成型过程中，粘接溶液液滴被有选择地喷射在介质表面，与介质发生 物理化学作用，形成截面轮廓。这个过程包括由液滴的形成和液滴与介质表面的交互作 用。喷射溶液的物理性能对液滴均匀稳定地形成和对液滴的尺寸和速度都有着直接的影 响。在三维打印快速成型中，按需落下液滴喷射模式能很好缝满足成型精度的要求，喷 射过程稳定，可以形成稳定的液滴。液滴形成后，以一定的速度冲击到介质表面上，形 成所需的层截匾形状。液滴与介质表面的交互作用分为：液滴对介质表面的冲击，液滴 对介质表面的铺展和润湿，液滴的毫细渗透。通过对三维打印快速成型过程的分析，研 究液滴形成以及与液滴对介质表面的冲击、液滴铺展的最大直径以及毛细渗透的程度能 够更好地控制成型制件的成爱精度。 ( 2 ) 成型过程的研究 通过对成型过程的机理分析和成型实验，发现影响成型制件性能的参数可以分为四 类：喷射扫描参数、材料特性参数、铺粉过程参数、其它影响参数。需要优化这些参数 才能得到理想的成型制件。这些参数是相互影响的，必须协调优化，否则有可能导致严 重缺陷甚至成型失败。上述4 种参数如表1 1 所示。 表1 1 影响三维打印快速成型的参数 为了获得期望的尺寸精度、表面粗糙度和强度，需要最大程度地减少制件缺陷，分 析产生缺陷的机理。三维打印快速成型主要受到材料特性、喷射扫描、铺粉过程等因素 的影响，可能导致制件尺寸精度差、表面粗糙且强度降低，可以通过合理地试验进行分 析研究，找到其产生的原因。 6 2 三维打印快速成型机的概速 2 三维打印快速成型技术 2 1 三维打印快速成型技术的工作原理 三维拇馨快速成型系统和s l a 、s l s 、f d m 和l o m 成型系统一样，都是基于离散 堆积制造思想的快速成型技术。三维打印快速成型技术采用的原材料包括陶瓷、金属、 石膏、塑料的粉未等，而其技术关键是配置合乎要求的粘接剂和原材料粉末。三维打印 m 快速成型技术制作石膏复合材料的制件工艺流程如下一： ( 1 ) 利用三维c a d 系统完成所需制件模型设计。所设计的模型是实心的或空心的， 并具有最终尺寸和内部细节。 ( 2 ) 设计完成盾，将模型在计算机中用专门软件格式切戒薄片并生成s l c 文件格式。 每层的厚度由设计者决定，在高精度的区域通常层厚比较薄。 ( 3 ) 计算机将每一层矢量格式的分层图片转换为位图格式，并控制粘接剂喷射头移 动的方向和速度。 ( 4 ) 通过铺粉装置将粉术均匀铺撒在工作台台面上，并控制压平后粉末的厚度等于 计算机模型中相应的层厚。 ( 5 ) 计算机控制的喷射头对分层位图进行喷射粘接。喷有粘接剂的部位，石膏复合 粉来粘接在起，周围无粘接的粉术则起支撑粘接层的作用。 ( 6 ) 第一层扫描完成后，计算机控制工作台下降一定高度，然后重复步骤4 、5 、6 三步，逐渐将整个制件制作出来。 ( 7 ) 取出原型或零件坏体，去除未粘接的粉末，并将这些粉末收回。 ( 8 ) 最后对制件进行相应后处理。 三维打印快速成型技术的具体工作过程：工作时，镳粉机构在工作台上铺设一层粉 末材料，喷头按照所需成型工件的截面轮廓信息，在水平面上沿x 方向和y 方向运动，并 有选择性的喷射粘接荆，糙接剂渗入部分粉材的微孔中并使其粘接，形成工件的截面轮 廓。一层成型完成后，成型活塞带动工作台下降一层截面的高度，再进行下一层的铺粉 与粘接，如此循环，直到完成最后一层的铺粉与粘接，形成三维制件，其工艺原理如图 2 。l 所示。在本三维打印快速成型枫中，未粘接的粉材囱然构成支撑，因此，不必另外设 置支撑结构，成型完成后也可免除剥离支撑结构的麻烦。此外，喷头还可喷射多种颜色 的粘接剂，以便成型彩色工彳牛。 7 西安科技大学硕士学位论文 f k 牌上 2 2 三维打印快速成型技术的特点 s l a 、l o m 、s l s 等快速成型技术是以激光作为成型能源，激光系统的价格及维护 费用昂贵，致使制件的制造成本较高，三维打印快速成型采用喷头喷射液滴逐层成型， 无需激光系统，发展迅速，是最具有生命力的快速成型技术之一，它具有以下特点： ( 1 ) 成本低、体积小。无须昂贵复杂的激光系统，整体造价大大降低，喷头结构 高度集成化，不需要庞大的辅助设备，结构紧凑，适合办公室使用。 ( 2 ) 材料类型广泛。根据使用要求，可以选用热塑性材料、金属、陶瓷、石膏、 淀粉等复合材料。 ( 3 ) 工作过程中无污染。成型过程中无大量热产生，无毒无污染。 ( 4 ) 运行费用低且可靠性高。成型喷头维护简单，消耗能源少，可靠性高，运行 费用和维护费用低。 2 3 三维打印快速成型技术的应用 由于快速成型的技术在各方面的应用比较广泛，本小节主要介绍三维打印快速成型 技术在各个领域的应用。 ( 1 ) 原型制作 三维打印快速成型可以用于产品模型的制作，以提高设计速度，提高设计交流的能 图2 2 彩色模型用丁有限元分析 力，成为强有力的与用户交流的工具，进行产品结构设计及评估，样品功能测评。除了 囵 t _ 囊曩重】 铲*r 2 三维打印快速成型机的概述 一般工业模型，三维打印快速成型可以成型彩色模型，特别适合生物模型，产品模型以 及建筑模型等【2 2 1 。此外，彩色原型制件可通过不同的颜色来表现三维空间内的温度、应 力分布情况，这对于有限元分析是非常好的辅助作用，如图2 2 所示。 ( 2 ) 快速模具 三维打印快速成型可用于制作母模、直接制模和间接制模，对正在迅速发展和具有 广阔应用前景的快速模具领域起到积极的推动作用。将三维打印快速成型制件经后处理 作为母模，浇注出硅橡胶模，然后在真空浇铸机中浇注聚亚胺酯复合物，可复制出一定 批量的实际零件。 直接制作模具型腔是真正意义上的快速制造，可以采用混合用金属的树脂材料制 成，也可以直接采用金属材料成型。三维打印快速成型直接制模能够制作带有工形冷却 道的任意复杂形状模具，甚至在背衬中构建任何形状的中空散热结构以提高模具的性能 和寿命。美国zc o r p o r a t i o n 公司开发一种由铸造砂，石膏和一些添加剂组成的z c a s t 粉术材料，直接用三维打印快速成型模具型腔，可用于直接浇注低熔点金属，如铝，锌、 镁等，成型时间从几个星期降至几小时到几天，大大降低制造的时间和成本，如图2 3 所示。 j ? ， 。 。口 萝熬蓉躜 | 。j _ 冀，。+ 图2 3 直接快速模具 ( 3 ) 快速制造 快速成型技术的发展目标是快速经济地制造金属、陶瓷或其他功能材料零件。美国 e x t r u d eh o n e 公司采用金属和树脂粘接剂粉末材料，逐层喷射光敏树脂粘接剂，并通过 紫外光照射进行固化，成型制件经二次烧结和渗铜，最后形成6 0 钢和4 0 铜的金属 制件。其金属粉末材料的范围包括低碳钢、不锈钢、碳化钨、以及上述材料的混合物等。 美国p r o m e t a l 公司通过喷射液滴逐层粘接覆膜金属合金粉末，成型后再进行烧结，直接 生产金属零件。美国a u t o m a t e dd y n a m i c s 公司则生产喷射铝液滴的快速成型设备，每小 时可以喷射l k g 的铝滴。 ( 4 ) 医学模型 三维打印快速成型可以应用在假肢与植物的制作，利用模型预制个性假肢，提高精 确性，缩短手术时间，减少病人的痛苦。此外，三维打印快速成型制作医学模型可以辅 助手术策划，有助于改善外科手术方案，并有效的进行医学诊断，大幅度减少手术前、 9 西安科技大学硕士学位论文 手术中和手术后的时间和费用，其中包括上颌修复、膝盖、骨盘的骨折，脊骨的损伤， 头盖骨整形等手术，给人类到来巨大的利益【2 3 2 4 1 。美国加利福尼亚大学的m a t t e l 儿童 霸醚i 圈 图2 4 头骨模型 医院于2 0 0 2 年8 月对危地马拉年仅l 岁的头部联体女婴成功地进行分离手术，利用o b j e t 公司q u a d r a t e m p o 快速成型设备逐层喷射丙烯酸光敏树脂建立地颅骨模型进行手术策 划，起到了很好的效果，如图2 4 所示。 ( 5 ) 制药工程 缓释药物可以使药物维持再希望的治疗浓度，减少副作用，优化治疗，提法病人的 舒适度，是目前研究的热点。缓释药物具有复杂内部孔穴和薄壁部分，麻省理工学院采 用多喷嘴三维打印快速成型，用p m m a 材料制备了支架结构，将几种用量相当精确的 药物打印入生物相融的，可水解的聚合物基层中，实现可控释放药物的制作。美国t h e r i c s 公司使用三维打印快速成型生产这种可控释放药物，其药剂偏差量小于1 ，而当前制 药方法的药剂含量偏差约为1 5 t 2 5 1 。 三维打印快速成型避免了采用激光成型所会产生的的大量热量，对保证有机物的活 性具有重要的意义；此外粉末粘接成型能够形成精度不高等缺点，但是药物的制造中， 这些都不是问题，因此三维打印快速成型在可控释放药物的制作上有着独特的优势。目 前三维打印快速成型能够快速地、无浪费地制造具有复杂药物释放曲线，精确药量控制 的药物。 ( 6 ) 组织工程 目前组织工程的研究热点是获得由细胞及生物物质和基质材料所组成的组织器官。 在组织器官的制造过程中，生物因子根据设计要求的可控缓释对于组织器官的生长起着 重要的调控作用，用三维打印快速成型器官组织的支架结构可以对其孔隙率以及孔径的 分布进行控制，得到所需的孔隙梯度结构，从而控制组织器官的降解速率，实现组织缺 损的修复。此外，细胞直接装也是研究的热点，液滴喷射能够实现包括细胞在内的各种 生命单元和物质的复杂空间排布。美国c l e m s o n 大学基于热敏材料固化工艺，对热可逆 1 0 2 三维打印快速成型机的概述 凝胶和仓鼠卵巢细胞的悬浮培养液采用液滴喷射成型。清华大学采用基于液滴喷射的成 型技术，提出分层原位不完全交联固化工艺，把细胞基质材料复合单元作为成型对象 的细胞基质材料液滴受控组装技术，初步实现了类组织前体的成型制造。 据f o x n e w s 网站2 0 0 7 年1 0 月1 2 同报道，一名材料科学家称使用喷墨打印机制造 图2 5 打印的干细胞 人体移植器官并不像看起来那样牵强，至少在未来人类会实现这一点。科学家们已经使 用喷墨盒来将干细胞“打印 成精确模式的干细胞，现在工程师们正将此技术应用到一 个完全崭新的领域，探索打印细胞三维结构的途径。如图2 5 所示。 美国马萨诸塞大学达特茅斯分院材料科学家保罗。卡尔弗特称，“该技术具有里程 碑意义，我们能够在一个喷墨打印机的表面上打印出各种类型的细胞，而不会导致细胞 死亡，干细胞也是如此。成功地打印出细胞的三维结构，颜色从黑白发展成各种颜色。” ( 7 ) 微纳制造 液滴喷射技术能够在微观尺寸上精度控制反应物，能够逐层制造任意形状的微细部 件。例如：a g o 等在n 型硅片上喷射c o 纳米颗粒悬浮液，然后以析出的纳米c o 作为 化学气相沉积生长碳纳米管的位置选择催化剂，制成了场发射用的多层碳纳米管陈列。 j a c o b s o n 等将5 7 啪的金和银纳米颗粒分散于a 一松油醇中形成导电溶液，将聚酮树 脂溶于乳酸乙酯和a 一松油醇中作为绝缘溶液，成功地在聚酰亚胺塑料上喷射出电感线 圈、静电马达等微细结构。 近年来，随着高分子功能材料的发展，以聚合物材料制作半导体器件已成为热门研 究课题。同制作聚合物光电器件的其他方法相比，液滴喷射具有在柔性基底上大面积直 接喷射部件的潜力，喷射过程中原料的浪费小于2 ，优势明显。j a m b s o n 等采用液滴 喷射技术将c d s e 纳米晶嘧啶悬浮液喷射在原、漏电极之间，再经加热、封装后得到场 效应晶体管。y a n g 等则将聚乙烯二氧噻吩水溶液喷射在i t o 透明电极上，再旋涂一层 电致发光聚合物，聚对苯乙烯和阴极材料，制成了聚合物电致发光徽标。s i r r i n g h a u s 等 在聚酰亚胺玻璃上，利用玻璃和聚酰亚胺不同的亲水、疏水特性，控制喷射聚一聚苯 乙烯磺酸液滴，并使之自组装成源、漏和栅极，制成了全聚合物场效应三极管。 西安科技大学硕士学位论文 2 4 三维打印快速成型机的系统组成 2 4 1 机械系统 三维打印快速成型系统是集机械、控制及计算机技术等为一体的机电一体化系统。 三维打印快速成型系统主要x y z 运动系统、喷头结构、数控模块、成型环境模块等组 成。 x y z 运动是快速成型工艺进行三维制件的基本条件。x 、y 轴组成平面扫描运动框 架，由伺服电机驱动控制喷头的扫描运动；z 轴由伺服电机驱动控制工作台做垂直于 x y 平面的运动。扫描机构几乎不受载荷，但运动速度较高，具有运动的惯性，因此应 具有良好的随动性。z 轴应具备一定的承载能力和运动平稳性。因此，在本系统中，x 轴机构选用导轨一同步齿形带；y 轴机构选用光杆一同步齿形带；z 轴机构选用光杆一 丝杆，如图2 6 。 j 髓乳 x ，1 r 商向 佶幽磊嬷h ，一 图2 6 ( 1 ) 成型工作缸：在缸中完成零件加工，工作缸每次下降的距离即为层厚。零件 加工完后，缸升起，以便取出制造好的工件，并为下一次加工做准备。工作 缸的升降由伺服电动机通过滚珠丝杆驱动。 ( 2 ) 供料工作缸：提供成型与支撑粉末材料。 ( 3 ) 余料回收袋：安装在成型机壳内，回收铺粉时多余的粉末材料。 ( 4 ) 铺粉辊装置：包括铺粉辊及其驱动系统。其作用是把粉末材料均匀地铺平在 工作缸上，并在铺粉的同时把粉料压实。 ( 5 ) 喷头：在工作缸内喷射成型时的粘接剂，粘接不同层之间的粉料，是三维打 印快速成型的关键部件。 1 2 2 三维打印快速成型机的概述 ( 6 ) x - y z - - 维传动系统：带动喷头小车在x ，y 方向做二维平面运动，驱动成型工 作缸和供料工作缸在z 轴方向做上下运动。 ( 7 ) 机身和机壳：机身和机壳给整个快速成型系统提供机械支撑和所需的工作环 境。 2 4 2 喷射系统 本系统采用英国x e a r 公司x j 一1 2 8 喷头，该喷头为压电式喷头，用于喷射成型的 粘接剂。基于国内赛博公司3 3 0 8 型喷绘机技术基础，首先是熟悉了其中的像素板及喷 头驱动板和供墨板的电路和软件，分析了赛尔x j 1 2 8 喷头的电路驱动原理，在此基础 上设计的喷射系统。 2 4 3 控制系统 控制系统主要由伺服电机驱动器、台湾研华公司的p c l 一8 3 9 三轴步进驱动卡和北达 生产型号为p s - 2 4 0 1 的多通道记数卡组成。控制系统的功能：一是进行“送粉缸活塞上 升一铺粉辊x 方向运动一平面制造一z 轴下降循环过程的顺序控制，实现堆积制造过 程；二是实现x y 平面扫描运动；三是实现由于造型过程中粉辊敷粉，喷嘴抬笔，温度 控制等协调控制系统。 2 5 本章小结 本章对于三维打印快速成型机作了详细阐述，介绍了三维打印快速成型机的工艺原 理、特点和应用，并且在机械系统、喷射系统和控制系统三方面做出的说明。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 三维打印快速成型机理的研究 三维打印快速成型过程中，液滴被有选择地喷射在介质表面上，与介质发生物理 化学作用，形成截面轮廓。这个过程由液滴的形成和液滴与介质表面的交互作用组成， 包括非常复杂的物理化学作用，需要对液滴形成方式和机理，以及液滴对介质表面的冲 击、铺展、润湿和渗透的全过程进行详细的分析。 3 1 液滴形成方式 ( 1 ) 液滴形成分类 三维打印快速成型采用液滴喷射技术逐层成型，因此首先要选择液滴喷射的模式。 液滴喷射的发展历史可追溯至公元1 8 7 8 年，l o r dr a y l e i g t h 最先提出将水柱变成液滴 ( d r o p l e t ) 的概念。e l m g v i s t ( 1 9 5 1 年) 发明了第一套商业用途的喷墨喷射记录器( i n k j e t c h a r tr e c o r d e r ) 。从7 0 年代初始，i b m ( 1 9 7 7 年) 推出连续式喷墨( c o n t i n u o u si n kj e t ) 打印机，z o l t a n 等( 1 9 7 4 年) 则发明了按需落下式( d r o po nd e m a n d ) 的喷射技术， 图3 1 液滴喷射模式的分类 c a n o n 公司的e n d o 和h a r a ( 1 9 7 9 年) 发明了气泡式喷墨技术( b u b b l ej e t ) ，h p 公司的j o h n v a u g h t ( 1 9 8 4 年) 亦独立研发出类似技术，称之为热喷射( t h e r m a lj e t ) 。目前，液滴喷 射主要有连续喷射和按需落下两种，按需落下喷射又可分为压电式、热气泡式和电磁阀 式等液滴喷射模式的分类，如图3 1 所示。 ( 2 ) 连续液滴喷射模式 连续液滴喷射模式的原理是利用液滴发生器中振荡器的振动信号激励射流生成液 1 4 3 三维打印快速成型机理的研究 滴，并对液滴的大小和间距进行控制，由字符发生器、模拟调制器产生的打印信息对控 制电极的电荷进行控制，形成带电和不带电荷的液滴，再由偏转电极来改变液滴的飞行 方向，使需要打印的液滴飞行到介质上，生成字符图形记录，不参与记录的液滴则由导 管回收至集液槽，如图3 2 所示。 液滴发生器极化电极 集液槽 图3 2 连续液滴喷射工作原理 连续液滴喷射模式能生产高速液滴，喷射速度高。此外，连续液滴喷射模式能使用 多种溶液材料，易于实现彩色打印，其工作的速度比按需落下喷射模式快得多。连续液 滴喷射模式的缺点是液滴直径难以进一步细化，成型分辨率比按需落下喷射模式低，此 外，这种液滴喷射模式的结构比较复杂，对溶液需要有加压装置，终端要有回收装置， 可控性较差，且成本高。 ( 3 ) 按需落下液滴喷射模式 按需落下液滴喷射模式是在有打印需要时才喷射液滴。它与连续喷射模式相比，结 构简单，成本低，可靠性高，但因受到喷射惯性等因素的影响，液滴喷射的速度较低。 在按需落下喷射模式中，一般采用多喷嘴喷射的方法来提高打印速度。目前，按需落下 喷射模式主要有微压电式和热气泡式两大类。 微压电式喷射 微压电式喷射是利用压电陶瓷的电压效应，通过压电陶瓷振子的弯曲变形对腔体内 的溶液产生一个可以克服溶液表面张力的压力，溶液重新充满溶液腔，为下一次喷射液 滴做准备。根据压电陶瓷变形的方式，可分为挤压式、弯曲式和推动式等，其工作原理 如图3 3 所示。 1 5 几川u撇 西安科技大学硕士学位论文 墨嘲j 篱 电 瓷 图3 3 压电式按需落下喷射模式 微压电式喷射模式对液滴的控制能力较强，可以进一步缩小液滴的尺寸，产生的液 滴也没有慧尾，使成形图像清晰，易于实现高精度的打印。微压电喷射过程无需加热， 溶液不会因受热而发生物理化学变化，从而降低了对溶液的要求。 热气泡式喷射 热气泡式喷射是利用加热器使水基溶液在短时间内加热至约3 0 0 。c ，喷头内的溶液