研究3D打印机的打印过程时发现,打印过程中存在喷头堵塞、打印精度低、速度低等问题,其主要原因是导丝管中的热量不能及时传导出去。为了解决喷头组件散热问题,设计出水冷装置模型,首先通过计算得出冷却的理论数据,然后结合傅里叶热传导定律,利用Fluent软件进行仿真分析,得出散热装置的温度数据以及温度分布云图等重要参数,最后仿真和计算相互验证。结果表明该水冷装置设计合理,能够满足导丝管内降温需求,有利于降低3D打印机喷头堵塞频率,提升打印精度、速度以及成型质量,为进一步优化3D打印机提供了参考。

基于挤出式生物3D打印原理,在对现有凝胶打印工艺进行改进的基础上,研制了一台可将凝固液雾化的新型生物凝胶三维打印机。提出了该生物凝胶打印机电系统总体设计方案,并设计了基于ARM-Cortex-M4内核的嵌入式控制系统和机械结构中的主要部件。同时优化了供液系统,解决了凝固液喷洒不均和较大尺寸凝胶成型件连续打印时供液不足的问题。该生物凝胶打印机通用性较好,可对多种材料且空间结构复杂的凝胶件进行打印成型。经实例验证,该生物凝胶打印机成型精度较高,打印速度快,安全可靠。

FDM 3D打印机在使用中出现打印完成的模型难以与平台进行分离的问题。面对FDM 3D打印模型难以分离的问题,利用ARIZ理论建立问题模型,进行创新性设计。获得了11个高质量的创新设计方案,评价优化后获得1个最优方案。验证了ARIZ方法解决复杂工程问题的有效性和实用性,也为开发新型易取模型的3D打印机提供了方案支持,有利于提高FDM 3D打印机的生产力。

为实现FDM (熔融沉积成型法) 3D打印技术多色彩模型三维实体快速成型效果,设计了基于3组喷头可无干涉交替打印的多喷头3D打印机整机结构,并通过分析单喷头3D打印机工作流程,对比出多喷头3D打印机具有喷头数量多、联动复杂等工作特点,确定了多喷头3D打印机需解决的关键技术为喷头预热时间、喷头切换精度,并据此分析了控制流程,研究了控制系统。最后,依据线性换算方法计算了多组喷头预热时间,利用三维空间矫正方法补偿了喷头切换精度。

为实现3D打印机对曲面的精细化打印,对3D打印机的喷头结构的快速响应和精确控制提出了更高的要求,为此设计了一种可以实现姿态控制的平面4-RRR冗余并联机构。根据机构的特点,在运动学基础上,利用虚功原理建立该机构的动力学模型,然后以混合驱动方式并借助最小二范数法实现机构等效广义力到轴向驱动力的优化。在此基础上,对驱动力二范数和最小驱动总功率进行优化,分别得到角速度、驱动力与驱动功率变化曲线。结果表明:该机构驱动力二范数解和最小驱动总功率解的差异略小,其驱动电机做功减少了1.17%。结合驱动力二范数、最小驱动总功率的优化结果,选取混合驱动的驱动方式,可以实现冗余并联机构驱动器瞬时驱动力与瞬时驱动功率的均衡,并降低机构运动过程中的功耗,实现3D打印机喷头机构的快速响应。

针对当前3D打印装备存在工作空间大、运动/力传递性能差的问题,设计了一种悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。依据解耦原则,建立串联单元解耦支链;并利用串联支链构型构成解耦并联单元。依据机器人末端一般运动特征集设计三移两转混联解耦机构,确定第一类混联机构的组合方式;最终基于雅克比矩阵秩设计出悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。实验结果表明,相对于传统的混联机构,设计的混联机构优质工作空间大、运动/力传递性能高、实用性较强。

随着3D打印技术的飞速发展,在工业、电子、军事、航空航天、医疗、建筑等领域的应用日益广泛,文中着重介绍了工业级3D打印机及3D打印材料在工业领域的应用情况。

随着3D打印的兴起,其应用越来越广泛。将123D Catch软件的照片建模技术和3D打印技术引入先进制造技术课程的教学,既丰富了教学内容,又提高了学生学习的兴趣。

同步轮座是FD M彩色3D打印机的重要零件,承受很大的同步带张紧力,且结构比较复杂,不适于采用常规的计算方法。文中采用有限元法对同步轮座进行了强度分析。结果表明,设计的同步轮座满足强度要求。

为提高并联3D打印机的打印成型精度,针对影响其打印成型精度的主要工艺参数进行试验分析,对打印头温度、打印速度、分层厚度和工作平台温度这四项工艺参数设计4因素3水平的9组正交试验,通过因素极差图和方差分析,研究各个因素水平对打印件x、y、z方向尺寸精度、圆孔直径和表面粗糙度的影响程度,并得到对打印成型精度影响较小的最佳工艺水平组合。结果表明,打印头温度、分层厚度对打印件尺寸精度影响较为显著,打印速度对表面粗糙度影响较为显著。