3DP工艺中阶梯误差与渗透误差相互作用研究

3DP工艺中影响零件成型精度的原理性误差主要来源于阶梯误差和黏结剂渗透误差,并且在误差测量结果中难以区分.本文基于黏结剂在砂床中的流动状态,建立了黏结剂从喷射到渗透过程的数值仿真模型,分析了在二维平面不同角度三角面片打印时理想模型边界和实际黏结砂粒边界之间的位置误差,研究了阶梯误差和渗透误差之间的相互作用.在此基础上,针对不同角度三角面片打印过程中阶梯误差与黏结剂渗透误差相互作用关系也不相同的问题,提出了基于三角面片法向量方向与成型方向夹角的三角面片偏移误差公式用于表达这两种误差对成型质量的综合影响.结果表明:在向上三角面片中,渗透误差与阶梯误差相互补偿,三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而减小;在向下三角面片中,阶梯误差与渗透误差相互叠加,三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而增大.将三角面片偏移误差的公式计算值与其实际测量值进行对比,公式计算误差最大为0.060 mm,最小为0.002 mm,表明三角面片偏移误差公式用于表达阶梯误差与黏结剂渗透误差综合作用的有效性.

3DP工艺中粘结剂渗透过程的仿真与研究

为了提高3DP工艺的加工质量,采用仿真与实验相结合的方法对粘结剂的渗透与凝结过程进行了研究。通过多种仪器对材料与粘结剂的物性参数进行测量,搭建实验观测平台,运用高速摄影对粘结剂在床粉表面的渗透过程进行采集,并借助于Comsol多物理场仿真软件对渗透过程进行了数值模拟,分析了不同参数对于渗透结果的影响,为实际加工中的工艺参数优化提供了理论依据。

3DP工艺中双液滴渗透数值模拟与仿真研究

为了提高3DP工艺的精度,需预测粘结剂与颗粒材料粘结的形态,而通过实验很难观测到液滴在粉床中的渗透过程。本文通过应用水平集方法建立了双液滴渗透过程的数学模型,运用多物理场仿真软件COMSOL对其进行了数值模拟,分析了主要工艺参数—液滴水平间距和滴落高度对液滴渗透的形态的影响。同时为验证数学模型和仿真结果的一致性,搭建了实验平台,采用高速摄影对液滴的滴落渗透过程进行图像采集,并通过电子显微镜观测最终的凝聚形态。将实验结果与仿真结果进行了对比,验证了数值模拟的准确性,为进一步的实验研究提供了理论依据。

3DP工艺中STL模型中心排样策略研究

针对3DP工艺中零件排样问题,由于不同零件成型方向所产生的阶梯误差存在差异,因此排样过程零件旋转受到限制。同时为了避免零件间受到粘结剂渗透影响,它们之间需预留间隙。基于粉床中心位置零件的成型质量要优于四周,提出了一种基于投影算法的STL模型中心排样策略。该方法将三维排样问题转化为二维不规则排样,以排样环作为零件的移动路径,排样点作为模型移动的参考位置,并以二维平面上的圆形空间评价排样结果,从而实现了多个零件中心排样。以两类典型的STL模型进行了三组算例的中心排样实验,结果表明:该中心排样策略对不同类型的零件均取得了较好的排样效果。

木塑材料3DP打印机运动控制系统轨迹跟踪研究

针对木塑材料3DP打印机运动控制系统X轴负载较大而导致CoreXY机构在进行开环控制时打印精度较差的问题,研究3DP打印机的模型预测控制(MPC)智能轨迹跟踪算法,提高打印精度和打印速度。基于黏结剂喷射(3DP)成型工艺和CoreXY机构的传动特点设计了木塑材料3DP打印机运动控制系统,提出了一种适用于3DP打印机的MPC轨迹跟踪策略。采用笛卡尔坐标系下近似圆形切片的打印轨迹作为参考轨迹,建立CoreXY机构A、B电机闭环系统的预测模型,运用MPC理论将打印速度和精度的多约束最优控制问题变为带约束的二次函数进行求解,对比参考轨迹与实际打印轨迹之间的误差,进而研究不同打印速度对轨迹跟踪效果的影响。对仿真结果进行分析计算得出,打印速度在80~400 mm/s范围内,3DP打印机的喷胶位点均可实现对参考轨迹的较准确跟踪,A、B电机皮带位移最大横向误差分别为0.0097和0.0060 mm,X、Y轴横向误差的平均绝对误差分别为0.357和0.362 mm。对比PID控制,MPC控制策略的各项衡量指标都更优,且参数更易整定,横向误差更小,提高了3DP打印机喷射路径的准确度和效率。随着打印速度的降低,MPC控制器的横向误差逐渐减小,系统的轨迹跟踪效果更准确和稳定,最终绘制参考轨迹与实际轨迹形状基本重合。

基于微滴喷射的3DP工艺中渗透误差补偿算法

在微滴喷射3DP工艺中,由于粘结剂渗透引起的误差是影响打印模型精度的主要因素之一,为了得到高精度的打印模型,减小渗透误差的影响,需要对渗透误差进行补偿。因此,针对微滴喷射工艺渗透误差提出了一种补偿算法,将渗透误差分解成为Z方向以及XY方向的两个分量后,依次对它们进行补偿。采用基于点偏移的补偿方法对Z方向渗透误差分量进行补偿,保证了STL模型补偿前后的完整性,简化了计算模型,实现了Z方向误差的补偿。然后采用基于分层平面偏移的分层补偿方法对XY方向渗透误差分量进行补偿,在分层过程中依据STL模型每个层面上三角面片角度特征进行相对应的分层平面偏移的补偿计算,实现了STL模型XY方向渗透误差分量的补偿。经过试验验证:通过先后对设计样件进行Z方向渗透误差分量补偿与XY方向渗透误差分量补偿计算,实现了对STL模型的渗透误差补偿功能。补偿后的尺寸误差以及圆度误差明显减少,综合补偿后打印样件尺寸更加接近设计尺寸,使其精度得到了提升。

3DP成型工艺在铸造模具领域的应用

铸造模具被称为“工业之母”,其传统制造多采用木模、消失模、金属模等,以上各工艺均需要通过CNC进行机加工,工序繁琐,制作周期长。采用3DP成型工艺直接打印铸造模具,减化传统铸造模具制造工序,表面粗糙度较好,无需要机械加工制作,提升制作效率,成本低,制造周期较短。

基于3DP的桌面级3D打印机的设计

3DP是快速成型技术的一种工艺,利用粉末状金属或陶瓷等可粘合材料,通过逐层粘结的方式来构造物体。基于3DP工艺,设计并制造一种的桌面级3D打印机,该打印机以步进电机驱动同步带传动,利用滑块控制喷头在x、y坐标平面内行进并且带动铺粉装置工作,以及驱动z坐标轴升降机构配合打印作业。该打印机结构新颖,应用面广,打印无需支撑结构,填补3DP的桌面级打印机市场空白。

砂型增材制造中铺砂过程建模研究

为探究影响粉末粘结类3D打印工艺成型质量的因素,文章在砂型打印的砂床铺设阶段,基于固体力学进行辊子半径和铺砂质量之间的规律进行分析,得到铺砂质量随辊子半径的变化趋势,给出了砂床规模给定的情况下辊子半径大小的取值范围。采用离散元仿真软件建立了铺砂阶段的数值仿真模型,完成了不同尺寸辊子铺砂后砂床质量评价,通过仿真给出了铺设较高质量砂床的辊子半径取值范围,其结果与理论计算一致性较高,证实了理论分析的有效性。

高端汽车冲压模铸钢件的3DP打印砂型铸造技术

研究了三维喷墨打印(3DP)工艺在中大型冲压模铸钢件制造生产中的应用。测试了打印砂型的抗拉强度、透气性、发气量等性能,并基于3DP工艺设计了砂型。结果表明,3DP打印砂型的抗拉强度可达1.70MPa,透气性大于400,最大发气量为14.6mL/g,均可满足合金钢铸造的使用要求。3DP打印砂型(芯)具有无需模具、可以采用砂型和砂芯整体化工艺等特点,提高了铸件的精度。通过对3DP砂型设计,并通过特殊工艺方法,解决了打印砂型的铸字清晰度的问题。

3D打印砂芯(型)在铁路铸钢件中的应用研究

研究了3DP和SLS两种砂芯(型)3D打印工艺在铁路铸钢件中的应用。分别采用上述两种工艺打印砂样并测试了砂样常规性能,打印了铁路钩舌砂芯并开展了铸造试验。结果表明,两种工艺打印砂样的常温强度和发气量均满足铸造生产要求;均可在无需开模的情况下快速打印钩舌砂芯,得到的铸件尺寸精确、表面光洁。