第２２卷第１１期

机械设计

Ｖ０１．２２Ｎｏ．１１２ＯＯ

５年１１月

ＪＯＵＲＮＡＬｏＦＭＡＣＨＩＮＥＤＥＳＩＧＮ

Ｎｏｖ．

２００５

三维打印成形系统的开发。

李晓燕１’２，张曙１

（１．同济大学现代制造技术研究所，上海２０００９２；２．上海理工大学，上海２０００９３）

摘要：三维打印成形技术是一个多学科交叉的系统工程。介绍了三维打印的成形机理，讨论了机械设计方案和工作流程，并根据实验确定了成形参数。并给出了三维打印成形的应用实例。

关键词：三维打印；系统工程；成形参数中图分类号：ＴＰ２３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—２３５４（２００５）１１一００５７一０３

快速成形技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技按照微滴成形原理又可分为压电式、热气泡式等。不同的喷射术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们模式对溶液选择、喷射效果及系统的稳定性都有很大的影的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维ｃＡＤ的数据，响［３“］。压电式喷射是利用压电陶瓷的压电效应，通过压电陶通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。迄今为瓷振子的弯曲变形，对腔体内的液体产生一个可以克服液体表止，国内外已经成功开发了１０多种成熟的快速成形方法［１］。面张力的压力，使位于喷头处的液体脱离喷头而形成液滴。压三维打印成形技术（ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰｒｉｎｔｉｎｇ一３ＤＰ）是采用电式喷射有利于提高喷射精度，但是喷头易堵塞，且价格较昂精密喷头按照零件截面形状，将溶液喷射在预先铺好的粉末层贵。热汽泡式喷射是利用加热器迅速加热喷头，使喷头内的液上，使部分粉末粘接在一起，形成截面轮廓。一层粉末成形完体汽化产生汽泡，汽泡膨胀将液体喷出喷头，其工作原理如图１

成后，再铺上一层粉末，进行下一层粉末的粘接，如此循环直至所示。

工件完成。再经过后处理，得到成形制件。最早由美国麻省理工大学（ＭＩＴ）开发３ＤＰ成形是目前快速成形行业中最有生命力的技术，它具有设备简单、材料便宜、成本低、体积小、工作过溶液

程中无污染、成形速度快等优点，该技术无需激光系统，价格低廉，运行费用很低且可靠性高［２］。目前，３ＤＰ成形技术分别应用于模型验证、直接金属／陶瓷零件、医学工程及微细加工等不同领域。

３ＤＰ成形技术是一个多学科交叉的系统工程，它涉及到液滴喷射技术，精密定位和控制，材料技术及后处理等。３ＤＰ成图ｌ热汽泡按需下落喷射模式

形系统的开发不仅需要考虑单项关键技术的研究，还要注意系热汽泡打印头虽然存在加热过程，但是时间极短，而且产统的集成，进行整体优化。目前已有美国ＺＣｏｒｐ等多家国外公生的汽泡将加热器和液体隔开，对液体不会造成很大的影响。司开展了基于３ＤＰ成形原理的设备开发，而我国目前尚无这方面开发的报道。文中将就所开发的３ＤＰ成形系统的工作原理、且成本低廉。为了减少喷头堵塞，控制设备成本，保证设计的机械总体结构的设计、工作流程以及工艺参数的确定等方面进可持续性，系统采用热气泡按需下落喷射模式。行讨论。本系统还开发了所需的粉末材料和粘接剂材料，由于１．２机械总体结构

篇幅有限，将另文叙述。

３ＤＰ成形系统的机械总体结构由Ｘ—ｙ—Ｚ三维传动系统、精密按需落下喷头、补粉装置、铺粉装置、集粉装置、工作平

三维打印成形系统

面及基座等部分组成。其中喷头Ｘ轴方向的移动是直流电机经同步齿形带传动、圆柱导轨导向的；喷头ｙ轴方向和工作平１．１液滴喷射原理

面Ｚ轴方向的移动则是步进电机经过精密滚珠丝杠传动、精密３ＤＰ成形技术是采用液滴喷射技术将粘接剂喷射在粉末直线滚珠导轨导向的。其机械结构简图如图２所示。

层上，使部分粉末粘接形成截面轮廓的，因此，首先要选择液滴粉末的铺覆是影响３ＤＰ成形质量、成形速度和可靠性的关喷射的形式。液滴喷射主要有连续喷射（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｎｋ＿ｊｅｔ）和键工序，它包括粉末供给和辊子压实两部分。目前使用粉末的按需落下（ｄｏ矿ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ）两种。连续喷射模式的液体材料种快速成形中，选择性激光烧结（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ

Ｌａｓｅｒ

ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ—ｓＩ。ｓ）

类选择范围较广，但是其结构复杂，可控性差，价格昂贵，因此和３ＤＰ设备均采用双工作缸供粉方式，即平行布置工作缸和供目前桌面打印机普遍采用按需落下喷射模式。按需落下喷射

粉缸。在工作过程中，一层粉末成形完成后，工作缸中的工作

＊

收稿日期：２００５一０２—２４；修订日期：２００５一０６—０９

作者简介：李晓燕（１９７５一），女，安徽合肥人，上海理工大学机械工程学院讲师，同济大学现代制造技术研究所在职博士生，研究方向：先进

制造技术，快速成形等。

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