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基本信息
- 項目名稱：
- 桌面型三維打印快速成型機的開發(fā)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品介紹了三維打印快速成型樣機及其控制軟件，主要由STL數(shù)據(jù)處理軟件、運動控制系統(tǒng)和成型頭等部分組成。其中，數(shù)據(jù)處理軟件主要負責(zé)對Pro/E軟件輸出的STL格式文件進行計算，最后得到各種控制指令，以便將控制指令發(fā)給控制電路?？刂齐娐犯鶕?jù)計算機發(fā)來的指令對快速成型樣機的工作臺、成型頭等進行合理的控制，通過工作臺和成型頭的協(xié)調(diào)工作即可加工出所需零件。
- 詳細介紹：
- 對于比較復(fù)雜的零件，涉及到的數(shù)據(jù)量比較大，對軟硬件之間的通訊要求也比較高，由于各方面條件限制，本作品試制一個簡單的矩形零件，具體過程如下： （1）利用Pro/E繪制出零件的三維模型，并將文件保存為STL格式文件。 （2）打開數(shù)據(jù)處理軟件，導(dǎo)入零件的STL格式文件。在該軟件的界面上設(shè)置三維打印參數(shù)，如將石蠟的每層高度設(shè)為0.12mm，掃描間隔距離為0.75mm，這樣整個零件共分為200層。接著在數(shù)據(jù)處理軟件的界面上依次點擊“切片處理”、“補償計算”、“掃描路徑”三個按鈕，即可得到各個輪廓的補償和掃描軌跡的坐標(biāo)，具體的坐標(biāo)值可以通過Excel軟件輸出，也可以通過CAD軟件觀察。 （3）通過串行通訊的方法將噴頭運行軌跡中的補償軌跡與掃描軌跡逐層傳送到控制系統(tǒng)中，并設(shè)定好成型頭移動速度等參數(shù)。而后將成型頭加熱到70℃，在成型頭內(nèi)裝入石蠟材料并放出多余的空氣。然后復(fù)位DSP控制器，于是工作臺就立刻按照事先規(guī)定的路徑運動起來，同時噴嘴根據(jù)要求按需噴射石蠟材料到工作臺既定位置。 （4）噴嘴加工完每一層的石蠟截面后，必須停止，同時要將工作臺移動到較遠處冷卻3秒鐘，等到石蠟完全冷卻后再噴射下一層的零件截面。當(dāng)成型頭按照加工軌跡連續(xù)噴射200層的石蠟層之后，就得到了矩形石蠟體了。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 三維打印成型（Micro-droplet injection molding ,MJM）（也稱三維打印）技術(shù)可以使加工材料以微滴的形式按需噴射到指定位置，進而形成三維形狀的實體零件。該工藝具有可使用材料廣泛、不受零件復(fù)雜程度影響、工藝靈活、原型制造成本低廉和環(huán)境友好等特點，不僅可以以低成本實現(xiàn)一般快速成型工藝的功用，而且在功能梯度零件、生物制造等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本文通過對MJM成型工藝及控制進行了初步研究，對今后研究MJM工藝及其設(shè)備的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。因此，本作品試制了一套面向水滴和石蠟的MJM成型樣機，并且編寫了相關(guān)MJM成型系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，通過對該成型樣機的初步試驗，該樣機目前可以成形簡單的矩形零件。 本作品的創(chuàng)新點是在沒有液體加壓機構(gòu)，只以單片壓電陶瓷為驅(qū)動源，即以壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)為驅(qū)動力，通過驅(qū)動振動桿的振動與否來控制微滴的按需噴射，因此具有一定的創(chuàng)新性。 本作品的技術(shù)關(guān)鍵是如何實現(xiàn)按需噴射。在一般情況，快速成型使用快速移動的工作臺，需要成型頭在系統(tǒng)工作時作相應(yīng)的開啟和關(guān)閉動作，由于MJM成型工藝的加工材料是液體，如果在噴頭工作時，噴頭的噴射速度不均勻或者相應(yīng)速度比較慢，被加工的零件就會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致零件精度下降，因此如何實現(xiàn)按需噴射是技術(shù)關(guān)鍵及其主要技術(shù)指標(biāo)。
科學(xué)性、先進性
- 快速成型是先進制造方法的一種，是零件加工方法的一個突破，極大方便了零件的設(shè)計與加工。各種快速成型工藝都有各自的優(yōu)缺點，其中：迭層實體制造（LOM）工藝材料損耗較大、表面粗糙度低且內(nèi)部支撐去除較困難；選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝對環(huán)境要求較高且成本較高；粉末材料選擇性粘結(jié)（TDP）所成型零件較脆；熔融沉積制造（FDM）工藝表面粗糙度較低且不易成型薄壁多孔零件；三維打印成型（MJM）則只能加工粘度較低的材料。相對于其他快速成型工藝，MJM工藝在零件加工精度和表面粗糙度方面有一定的優(yōu)勢，一般可達到0.8-1.6μｍ的表面粗糙度，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，本作品試制了一套面向水滴和石蠟的MJM成型樣機，該樣機具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單緊湊且操作方便等優(yōu)點，通過對該成型樣機進行了初步試驗，目前可以成形簡單的矩形零件。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、視頻、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 與其它快速成型工藝相比，具有以下三個優(yōu)點： （1）MJM工藝可以得到很高的成型精度和表面粗糙度：MJM工藝用來堆積零件的微滴直徑一般為0.15mm,材料濺落層高度為0.1 mm，材料層與掃描間距比較薄，階梯效應(yīng)產(chǎn)生的誤差降低，其表面粗糙度可達0.8-1.6um。 （2）友好的加工環(huán)境：相對于立體光造型、迭層實體制造及選擇性激光燒結(jié)在加工過程中會產(chǎn)生刺激性氣體和煙塵，MJM具有明顯的環(huán)境友好性。 （3）結(jié)構(gòu)簡單緊湊：該作品采用單一壓電陶瓷作為振動系統(tǒng)的驅(qū)動源，所設(shè)計的成型樣機結(jié)構(gòu)緊湊且易于控制。 經(jīng)過初步研究，目前該作品可以實現(xiàn)簡單矩形零件的試制。如果對其進一步研究，它可應(yīng)用于建筑模型、醫(yī)學(xué)模型等新產(chǎn)品開發(fā)以及工藝品的制作。由于該技術(shù)無需激光系統(tǒng)，造價和使用成本低廉、可靠性高、設(shè)備體積小且成形速度快，是一種能夠被普及的快速成形系統(tǒng)。本研究工作旨在開發(fā)具有工業(yè)應(yīng)用前景、速度高、設(shè)備和材料成本低、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的經(jīng)濟型三維打印成形系統(tǒng)。
同類課題研究水平概述
- 美國MicroFab公司(1995年)對金屬液滴噴射成形展開研究，其生產(chǎn)的JetLab成形系統(tǒng)通過改變壓電系統(tǒng)的振動頻率來控制噴頭中氣泡的狀態(tài)，從而決定是否噴出焊滴，焊滴被準(zhǔn)確噴射到基板上，被用于成形微細結(jié)構(gòu)件或印刷電路板，目前該設(shè)備只能采用聚合物和低熔點焊絲材料，且價格昂貴。英國Brunel大學(xué)的Evans等(1990年)將納米ZrO2、Ti02、A12O3等粉末配置成分散均勻的懸浮液，逐層噴射成形陶瓷零件。Teng等(1998年)對陶瓷懸浮液的沉積和粘度進行研究，并采用連續(xù)液滴噴射裝置獲得了清晰的陶瓷圖案。Moon等(2002年)對陶瓷粘接成形的過程進行研究，發(fā)現(xiàn)粘接劑的分子量需小于15000才能滿足噴射和粘接的要求；除了粘接溶液的粘度和表面張力，粉末的性能如表面粗糙度、孔隙尺寸等對粘接滲透動力學(xué)都有顯著的影響。 美國3D Systems公司的選擇性液滴噴射采用呈線性排列的多個熱噴(Thermojet)，有選擇性地層層噴射熔化的熱塑性塑料，其液滴的直徑0.076mm，分辨率可達300dpi，價格便宜，使用方便。以色列Objet Geometries公司開發(fā)的Objet Ouadra三維打印成形機，逐層噴射光敏聚合物液滴，并采用紫外光進行固化。其噴嘴共有1536個，層厚為0.02mm，所成型表面光滑，并能成形細小特征，對具有復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜內(nèi)部型腔的制件，還能夠噴射第二種支撐材料。 基于三維打印成型技術(shù)同樣受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。華中理工大學(xué)馬如震、劉進等(1998年)闡述了基于微小熔滴的加工工藝和成形方法，并對振幅、溫度、壓電晶體的振動頻率、掃描速度和噴射頻率等參數(shù)進行分析。天津大學(xué)陳松(1999年)等將液滴噴射技術(shù)應(yīng)用到化工造粒，生產(chǎn)粒徑在1-3mm的粒狀產(chǎn)品，并對射流斷裂形成均勻液滴的流速、頻率范圍及噴頭形狀、材料特性、振動方向等因素影響進行研究。西安交通大學(xué)盧秉恒等(2001年)研制出一種基于壓電噴射機理三維打印機噴頭，通過實驗分析噴頭形狀，驅(qū)動電壓，工作頻率等參數(shù)對噴頭流量的影響。清華大學(xué)顏永年等(2002年)提出一種低溫冰型快速成形技術(shù)，以水作為成形材料，冰點較低的鹽水作為支撐材料，通過選擇性噴射和快速冰凍制造成形零件。中國科技大學(xué)(2004年)自行研制了八噴頭組合液滴噴射裝置，有望在微制造、光電器件以及材料科學(xué)中得到應(yīng)用。
