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  • 【论文】 新型FDM粒料3D打印机研发及应用研究

    作者:徐常有 关键词:大型3D打印设备 ; 熔体微分 ; 成型工艺 机构:北京化工大学 ; 北京化工大学 年份:2018
    摘要:3D打印对制造技术改变是革命性的,它不仅把大型制造业的流水线集于一台小型设备,同时也变革着制造业的生产方式和制造理念,这种变化必然会影响我们的生活。但对3D打印来说,材料和设备是限制其发展的两个重要因素。针对这些限制,基于高分子材料先进制造技术“微积分”的思想,设计了熔体微分三维成型设备,该设备采用“先熔化后建压挤出”螺杆推动的送料方式。结合以往设备的不足以及FDM(熔融沉积成型)三维成型的要求,设计研发了成型尺寸为2m*2m*1.5m的新型FDM粒料三维成型设备,进行了一系列的成型工艺实验探索,具体工作如下:1、新型FDM粒料三维成型设备的研发与制造。该装置熔融建压单元利用螺杆输送建压,喷头处采用熔体计量泵精确控制挤出量;采用平台固定、喷头部分移动的方式三维成型,节省了大量空间;同时将三维成型系统、压力回路控制系统、熔融塑化输送系统的控制部分集约成一个系统,提高了系统的稳定性、简化操作、减少对人工的依赖性。2、新型FDM粒料3D打印材料可打印性的研究。该设备可适用的材料范围非常广泛,为了建立该设备完整的工艺体系,本文结合材料本身的特性和FDM三维成型的要求,提出了 5个指标的评价体系,分别是熔融温度、流动性、出丝连续性、出丝收缩性、层粘性,满足这5个指标的可塑性材料即可利用该设备进行3D成型。然后分别通过单一聚合物、PLA/TPU共混物、陶瓷基复合材料三种类型的物料介绍了该评价体系。该评价体系不仅可以判断材料是否适合通过该设备进行3D成型,还可以通过该评价体系对材料进行针对性改性,使其适用于该设备,对FDM类型3D打印材料的发展有指导意义。3、按照该设备的三维成型工序,以PLA/TPU为研究材料进行了工艺参数的研究。首先根据材料的特性初步选择熔融塑化温度和成型温度,然后根据需要的流量和出丝直径选择合适的喷嘴直径、成型温度、螺杆转速、压力范围、熔体泵转速等参数;通过简单形状打印,根据精度要求和材料特性选择合适的层高、打印速度匹配流量与出丝直径;最后打印复杂的结构,通过性能检测分析材料的各种性能是否符合要求。4、基于FDM粒料3D打印成型设备,以PLA-PP-PW-SA为粘结剂制备了氧化铝陶瓷复合材料,探究了在喷嘴直径一定的情况下,质量流量与螺杆塑化温度和成型温度、容腔压力、螺杆转速的变化规律,并探究了不同层高下的打印效果。实验结果表明,在喷头直径为0.4mm条件下,螺杆塑化温度为160℃,成型温度为175℃,螺杆转速为0.3-0.8r/min,容腔内压力在0.2-1.0MPA,层高为0.2的工艺参数下能够打印出较为理想的陶瓷粗坯。5、聚乳酸基复合材料4D成型的研究。本文以PLA/TPU/CNTs为研究对象,通过工业级FDM粒料三维成型设备制备样品,研究了该材料第4D—形状记忆效应的变化。实验结果表明:在玻璃转化温度Tg附近,温度越高形状回复率越大,回复所用时间越短;CNTs会抑制形状回复,在水浴条件下,CNTS含量越高,回复率越低,在电场条件下,回复率受到CNTs的双重影响,无明显规律;该复合材料对两次形变之前的形状也有很好的记忆效应,同时对弯曲、扭曲、折叠、拉伸也有很好的记忆效应。
  • 【期刊】 粒料3D打印机机头传热结构优化设计木

    刊名:塑料 作者:刘晓军 ; 王成硕 ; 迟百宏 ; 焦志伟 ; 杨卫民 关键词:熔融沉积 3D打印 机头 传热 有限元分析 优化设计 机构:北京化工大学机电工程学院 ; 北京化工大学机电工程学院 年份:2017
    摘要:在熔融沉积成型制造技术中,热流道及喷头的温度场对聚合物的流动及沉积有很大影响。针对现有的聚合物熔体微分粒料3D打印机,建立机头的三维模型,运用有限元分析的方法得到其温度场分布。模拟结果表明,热源与喷头之间存在较大温差,且热流道温度分布不均匀。针对以上结构的缺点,提出机头结构的优化方案,并对其所用材料进行改进。对优化后的机头再次进行有限元热分析,分析结果表明,优化后的机头热源与喷头之间的温差显著减小,且热流道的温度分布趋于均匀。因此,3D打印机机头结构优化方案对于聚合物熔体的稳定输送及沉积成型有重要意义。
  • 【期刊】 粒料3D打印机机头传热结构优化设计

    刊名:塑料 作者:刘晓军 ; 王成硕 ; 迟百宏 ; 焦志伟 ; 杨卫民 关键词:熔融沉积 ; 3D打印 ; 机头 ; 传热 ; 有限元分析 ; 优化设计 机构:北京化工大学机电工程学院 ; 北京化工大学机电工程学院 年份:2017
    摘要:在熔融沉积成型制造技术中,热流道及喷头的温度场对聚合物的流动及沉积有很大影响。针对现有的聚合物熔体微分粒料3D打印机,建立机头的三维模型,运用有限元分析的方法得到其温度场分布。模拟结果表明,热源与喷头之间存在较大温差,且热流道温度分布不均匀。针对以上结构的缺点,提出机头结构的优化方案,并对其所用材料进行改进。对优化后的机头再次进行有限元热分析,分析结果表明,优化后的机头热源与喷头之间的温差显著减小,且热流道的温度分布趋于均匀。因此,3D打印机机头结构优化方案对于聚合物熔体的稳定输送及沉积成型有重要意义。
  • 【专利】 一种可清理颗粒物余料的3D打印机

    作者:余少华 年份:2014
    摘要:一种可清理颗粒物余料的3D打印机,它涉及打印设备技术领域,打印机机箱的下端设置有颗粒物收集箱,打印机机箱的前端右侧设置有控制器,竖向滑动轨道的下端设置有抽气孔,抽气孔的下端通过第一导气管与过滤器连接,第一导气管的下端、过滤器的后侧通过颗粒物排卸管与颗粒物收集箱连接,过滤器的前端通过第二导气管与抽气泵连接。本实用新型结构简单、设计合理且操作方便,打印机的内部通过抽气泵对打印好后的工作台进行抽气清洁,并通过过滤装置使颗粒物储存到颗粒物收集箱内,同时还通过过滤装置和抽气泵对3D打印机内部的有害气体进行清理。
  • 【专利】 一种用于粒状材料3D打印机的单辊废旧塑料粉碎机

    作者:徐宏伟 ; 韩愈 ; 赵嘉蕊 ; 井伟华 年份:2017
    摘要:本实用新型公开了一种用于粒状材料3D打印机的单辊废旧塑料粉碎机,包括顶面敞口的粉碎机箱体,粉碎机箱体内安装有刀辊轴,刀辊轴上安装有粉碎刀辊,粉碎机箱体内设有与粉碎刀辊配合的下刀模,刀辊轴的一端安装有传动带轮,传动带轮通过传动皮带连接电机带轮,电机带轮安装在电机的主轴上。解决了目前粉碎机结构复杂庞大导致的使用不便的问题。
  • 【论文】 螺杆式塑料颗粒3D打印机的优化设计

    作者:霍恩光 关键词:3D打印 ; 塑料颗粒 ; 模拟仿真 ; 打印实验 ; DEM ; CFD 机构:哈尔滨工业大学 ; 哈尔滨工业大学 年份:2017
    摘要:随着3D打印产业的迅速发展,熔融沉积技术(FDM,Fused Deposition Modeling)已发展成为最成熟的快速成型工艺之一,其中FDM式线型塑料3D打印机凭借其打印精度高、操作灵活方便等优点得到广泛应用,但其进一步推广却受到耗材成本和材料种类所限制。本课题创新性地采用工程塑料颗粒为原料,旨在开研发出FDM式塑料颗粒3D打印机型,对降低耗材成本和拓宽原料种类具有重要研究意义。本文以螺杆式塑料颗粒3D打印机为研究对象,解决其在进料卡塞、出丝不均、打印持久稳定性差等方面的问题。基于DEM-CFD耦合模型,首先,模拟分析了在不同进料角和螺杆转速下塑料颗粒在输运过程中的运动、受力和分布情况,并将该模拟数据作为后续对优化方案的评价基准,接下来详细模拟了在圆角型进料和切向进料方案下的颗粒输运过程,重点分析了两优化方案对颗粒所受接触力和分布均匀性的影响,并进行颗粒输运过程的可视化实验对模型的准确性进行验证;然后采用欧拉两相流模型和VOF模型对原挤出头组件和新型挤出头组件进行模拟,着重分析了在自然工况、单散热工况、双散热工况和双散热工况下内置铁氟龙管时新型挤出头相对原挤出头在温度分布、熔融物料分布、流动阻力和速度矢量等方面的优化程度;最后,对优化后的机器进行样品打印实验,重点探究了打印速度、打印温度及层厚对打印质量的影响,以匹配得到最佳打印参数,通过持久性打印实验来验证优化后机器的工作稳定性。研究结果表明:在圆角型进料方案下,颗粒所受接触力值有50%~80%幅度的降低,其值大约在10~50N范围内,且颗粒线性分布特性有一定幅度的提升,而切向进料方案可使颗粒接触力值降低两个量级,在整个转速区间内均控制在0~1N范围以内,经验证模拟结果和实验数据基本吻合;与原挤出头组件相比较,自然工况下新型挤出头组件温度分布均匀性得到改善,其温差基本控制在5~10℃以内,能量有效利用率由10.25%提高至20.01%,等待加热时间和流道内最大剪切压力值均降低1/3,同时,单散热工况和双散热工况均可使喉管处温度控制在颗粒熔化温度以下,且喉管内置铁氟龙管后可使其温度进一步降低;优化后机器的最佳打印参数为:打印温度210℃、打印速度35mm/s、层厚0.10mm~0.25mm,打印质量较优化前提升一倍以上。
  • 【期刊】 新型塑料颗粒3D打印机技术方案的研究

    刊名:机械设计与制造 作者:陈磊 ; 张继春 ; 王世博 关键词:熔融沉积成型 ; 螺杆挤出 ; 离散元模型 ; 计算流体力学 机构:哈尔滨工业大学(威海) ; 哈尔滨工业大学(威海) 年份:2018
    摘要:针对如何使用工程塑料颗粒(PLA等)来完成熔融快速成型进行了研究,设计了一套小型螺杆挤出机构,与Delta并联结构的FDM打印机结合,实现快速成型的目的;应用STAR-CCM+软件进行仿真研究,数值分析主集中在进料端塑料颗粒的DEM(离散元模型)仿真,和出料端的CFD(计算流体动力学)分析;进料端的研究目的是解决颗粒进料顺畅度问题,分析不同漏斗对进料效率影响,以确保设计合理的进料漏斗;考虑螺杆挤出的压力波动因素,及加热温度对融料的流动影响因素,出料端的温度控制影响到打印效果。通过对挤出机构关键参数的设计,结合验证机的实验;给出新型塑料颗粒3D打印机的初步方案。
  • 【期刊】 新型塑料颗粒3D打印机技术方案的研究

    刊名:机械设计与制造 作者:陈磊;张继春;王世博; 关键词:熔融沉积成型;;螺杆挤出;;离散元模型;;计算流体力学 机构:哈尔滨工业大学(威海) ; 哈尔滨工业大学(威海) 年份:2018
    摘要:针对如何使用工程塑料颗粒(PLA等)来完成熔融快速成型进行了研究,设计了一套小型螺杆挤出机构,与Delta并联结构的FDM打印机结合,实现快速成型的目的;应用STAR-CCM+软件进行仿真研究,数值分析主要集中在进料端塑料颗粒的DEM(离散元模型)仿真,和出料端的CFD(计算流体动力学)分析;进料端的研究目的是解决颗粒进料顺畅度问题,分析不同漏斗对进料效率影响,以确保设计合理的进料漏斗;考虑螺杆挤出的压力波动因素,及加热温度对融料的流动影响因素,出料端的温度控制影响到打印效果。通过对挤出机构关键参数的设计,结合验证机的实验;给出新型塑料颗粒3D打印机的初步方案。
  • 【专利】 基于STM8的生物3D打印机平稳颗粒送料机

    作者:史廷春 ; 林凌鹏 年份:2014
    摘要:本实用新型公开了一种基于STM8的生物3D打印机平稳颗粒送料机构,目前市场上基于颗粒送料的3D打印的送料机构均采用开环系统,即无法知当前送料机构的送料速度和送料量。本实用新型包括机械结构与控制电路。控制电路部分包括光电管计数模块与单轴步进电机控制模块。本实用新型利用单片机技术控制电路,结合光电门计数原理,并且重新设计生物3D打印机送料结构,实现对送料颗粒的精确计数和送料速度的有效调节。
  • 【专利】 一种基于STM8的生物3D打印机平稳颗粒送料机

    作者:史廷春 ; 林凌鹏 年份:2014
    摘要:本发明公开了一种基于STM8的生物3D打印机平稳颗粒送料机构,目前市场上基于颗粒送料的3D打印的送料机构均采用开环系统,即无法知当前送料机构的送料速度和送料量。本发明包括机械结构与控制电路。控制电路部分包括光电管计数模块与单轴步进电机控制模块。本发明利用单片机技术控制电路,结合光电门计数原理,并且重新设计生物3D打印机送料结构,实现对送料颗粒的精确计数和送料速度的有效调节。
  • 【专利】 一种适用于塑料颗粒熔融堆积3D打印机的挤出装置

    作者:余金文 年份:2016
    摘要:本实用新型公开了一种适用于塑料颗粒熔融堆积3D打印机的挤出装置,包括支架、螺杆、机筒和加料机构,所述机筒的一端安装于支架,且所述机筒的一端与加料机构连接,所述螺杆安装于机筒的内腔里;所述加料机构包括刚性的保持架和弹性的进料筒,所述进料筒通过保持架安装于支架,所述进料筒与螺杆套接,且所述进料筒的进料口与机筒的内腔相连通。本实用新型中的加料机构采用了弹性的进料筒,故即使采用尺寸小、扭矩小的小型电机也能够把硬质塑料颗粒顺利推进,而采用小型电机则可以减小设备的占地空间,为制造桌面型的塑料颗粒熔融堆积3D打印机提供了可行性。
  • 【专利】 一种3D打印机粒料供料系统

    作者:王俊 年份:2015
    摘要:本发明涉及一种3D打印机粒料供料系统,所述供料系统包括打印头颗粒料给定泵和颗粒料定量供料箱;打印头颗粒料给定泵设置在打印头供料给定驱动通道前端,颗粒料定量供料箱的出料口通过气体输送管道连接所述打印头颗粒料给定泵的进料口,颗粒料定量供料箱通过所述气体输送管道将颗粒料送入打印头颗粒料给定泵,打印头颗粒料给定泵将颗粒料均匀地一颗一颗顺序从所述出料口输出。本发明的有益效果是:采用颗粒料定量供料箱控制颗粒料的输送量,采用气体输送管道将颗粒料送入打印头颗粒料给定泵,打印头颗粒料给定泵可精确稳定地向3D打印喷头提供颗粒料,实现了颗粒料的自动供料;可保证3D打印喷头持续正常工作,达到打印精度。
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