粉材喷液增材制造系统设计及材料研究

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1、分类号学号M201270710学校代码10487密级硕士学位论文粉材喷液增材制造系统设计及材料研究学位申请人：邹志祎学科专业：材料加工工程指导教师：魏青松教授答辩日期：2015.6ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringSystemDesignandMaterialsResearchofThreeDimensionalPrintingCandidate:ZouZhiyiMajor:Mate

2、rialProcessingEngeeringSupervisor:ProfessorWeiQingsongHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaApril,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论

3、文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月摘要粉材喷液（三维打印PowerBedandInkjetHead3DPrinting

4、，3DP）技术是增材制造技术的主要工艺方法之一，具有成本低、加工速度快、全彩色制造等突出优点，在模型制作、生物制造等领域具有广阔应用前景。但是，该技术相对于激光选区烧结/熔化、熔融沉积制造、光固化等其他增材制造技术其技术成熟度略低，材料体系有待完善。为此，本文设计和研制了一种粉材喷液增材制造原型机，并实验了两种材料体系，初步验证其成形原理及效果。选用热气泡式惠普HP802喷头作为喷液器件，设计了工艺原型机。机械部分由框架、送粉系统、铺粉系统及喷头机构四部分组成。分别使用运动控制卡和ARM系统开发板实现了对喷头（X轴）、滚珠丝杠（Y

5、轴）、双缸（Z轴）以及铺粉辊的运动控制。整机具有系统开放度高、控制成本低、稳定性强等优点。设计了一种以石膏为基体材料的粉材喷液增材制造用材料体系。设计由去离子水、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵组成的喷射液体，由α石膏、聚乙烯醇、羟乙基纤维素、纳米级二氧化硅和硫酸钙组成混合粉末。该材料成形制件在水平面平行和垂直与喷头喷射方向的变形率约为2%，在对角线方向加成形成的变形率为3%，略优于国外同类商业设备相似材料的变形率。弯曲实验表明，成形件的初始弯曲强度1.96MPa，浸渗硅溶胶后弯曲强度增大至8.77MPa，制件机械性

6、能接近国外相似材料强度。SEM微观形貌表明，成形件中高分子粘结剂及水的比例过高，影响了半水石膏的水合生长，导致强度较低；浸渗后填充制件空隙且激发半水石膏再次水合生长，从而提升了强度。以聚苯乙烯为基体粉末、聚乙烯醇为粘结剂组成混合粉末，以水、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵为喷液材料，设计了一种以聚苯乙烯为基体材料的粉材喷液增材制造用材料体系。重点研究粉末配比对成形件性能的影响。结果显示，PVA含量为25%、PS含量为75%时，制件性能最优，变形率1.7%，初始强度0.26MPa。渗蜡后，制件空隙得到填充，强度提高至3

7、.38MPa。烧失实验表明，500℃烧结渗蜡试样无残余。相关性能均符合熔模铸造使用要求。综上所述，本文设计和研制了一种系统开放度高、控制成本低、稳定性强的粉材喷液增材制造原型机；设计了制件性能满足模型需求的石膏材料体系以及制华中科技大学硕士学位论文件性能满足熔模铸造要求聚苯乙烯材料体系。本文为相关技术的机械和材料体系设计提供了具体的方案和理论上的指导，有助于进一步丰富和完善相关技术的材料体系。关键词：增材制造，粉材喷液，工艺原型机，材料设计，石膏，聚苯乙烯II华中科技大学硕士学位论文AbstractPowerBedandInkje

8、tHead3DPrinting(3DP)isakindofadditivemanufacturingtechnology,whichownsoutstandingadvantagesaslowcost,highmanufacturingspeeda