【摘要】： 隨著經(jīng)濟的全球化，市場競爭將越來越激烈，產(chǎn)品能否快速響應市場已經(jīng)成為企業(yè)競爭勝敗的關鍵，因此，對能夠提高新產(chǎn)品開發(fā)成功率、降低產(chǎn)品開發(fā)時間和開發(fā)成本的快速成形設備的需求將越來越大。同其它主流快速成形技術相比，三維打印快速成形技術在成形速度、可成形材料種類、設備價格、運行和維護成本等方面具有明顯優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景，代表著快速成形技術的發(fā)展方向。根據(jù)三維打印快速成形技術發(fā)展的趨勢，結(jié)合我國工業(yè)生產(chǎn)的需要，本文主要開展了光固化三維打印快速成形技術的研究，致力于開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的經(jīng)濟型光固化三維打印快速成形設備。論文的主要研究內(nèi)容如下： 對噴射液滴在成形表面上的擴展和再融合過程進行了理論分析，經(jīng)計算確定了在作者設計的光固化三維打印快速成形系統(tǒng)中，XY平面上的實際打印分辨率要求應不低于300dpi，Z軸方向上的最小成形層厚為0．011mm。對光固化三維打印快速成形工藝中材料固化過程進行了理論分析，得到了最大固化深度與紫外燈的運動速度之間的關系，以及打印頭沿X軸運動速度與切片厚度應滿足的關系。 基于保證使用性能和降低設備硬件成本的思想，進行了光固化三維打印快速成形原型機的機械系統(tǒng)、控制硬件系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)的總體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設計，為開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的光固化三維快速成形設備奠定了基礎。 根據(jù)光固化三維打印快速成形技術中單層成形加工所需要的控制狀態(tài)數(shù)，采用了2張單色位圖來表示光固化三維打印快速成形系統(tǒng)中的層面數(shù)據(jù)，一張表示實體數(shù)據(jù)信息，另一張表示支撐數(shù)據(jù)信息。位圖數(shù)據(jù)的生成采用掃描線填充方式，結(jié)合快速成形系統(tǒng)中CAD模型經(jīng)切片后得到輪廓環(huán)數(shù)據(jù)的特點，提出了一種基于輪廓邊的位圖生成算法。該位圖生成算法很好地解決了用常規(guī)的活性邊表法難以判斷和處理的當掃描線通過水平輪廓邊所帶來的奇點問題。實現(xiàn)了基于該方法的光固化三維打印快速成形層面實體位圖生成算法和支撐位圖的快速求解算法。 根據(jù)光固化三維打印快速成形系統(tǒng)中層面位圖數(shù)據(jù)的特點和常用無損位圖數(shù)據(jù)壓縮方法的不足，設計了一種基于字節(jié)的位圖數(shù)據(jù)無損壓縮方法。該位圖壓縮方法充分利用了光固化三維打印快速成形系統(tǒng)中層面位圖數(shù)據(jù)的特點，壓縮比高，經(jīng)過對多個CAD模型的位圖數(shù)據(jù)的壓縮比較，最小壓縮比為12．1：1，最大壓縮比達53．9：1。該位圖壓縮方法在對位圖數(shù)據(jù)進行壓縮和解壓的過程中，不需要進行復雜的計算，速度快，耗時少，對光固化三維打印快速成形系統(tǒng)這種有成百上千層位圖數(shù)據(jù)需要處理的場合不會構(gòu)成瓶頸，較好地滿足了光固化三維打印快速成形系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)壓縮的要求。 分析了多目標優(yōu)化基準算法——第二代非支配排序遺傳算法的不足，提出了相應的改進措施，在此基礎上提出了一種新的多目標優(yōu)化算法——非支配排序均勻遺傳算法。通過仿真測試表明非支配排序均勻遺傳算法在求解精度、計算效率和避免算法陷于局部最優(yōu)解方面具有明顯優(yōu)勢。 研究了光固化三維打印快速成形工藝中零件制作方向?qū)χ萍砻尜|(zhì)量、所需支撐和制作時間的影響。提出了將基于Pareto最優(yōu)原理的多目標優(yōu)化方法用于零件制作方向優(yōu)化求解的新思路。用本文提出的非支配排序均勻遺傳算法進行零件制作方向的優(yōu)化計算，表明其不僅可以求出比單目標優(yōu)化方法更優(yōu)的零件制作方向，而且在一次優(yōu)化計算中就可得到多個在一定權重分配下零件的最優(yōu)制作方向。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TP334.8
【圖文】：

1.2.1粉末粘結(jié)成形三維打印粉末粘結(jié)成形三維打印是通過打印頭噴射(打印)粘結(jié)劑將粉末材料逐層粘結(jié)成形以得到制件的成形方法。其工作原理如圖1一1所示，首先在成形室工作臺上均勻地鋪上一層粉末材料，接著打印頭按照零件截面形狀，將粘結(jié)劑材料有選擇性地打印到已鋪好的粉末材料上，使零件截面有實體區(qū)域內(nèi)的粉末材料粘結(jié)在一起，形成截面輪廓，一層打印完后工作臺下移一定高度，然后重復上述過程「’4〕。如此循環(huán)逐層打印直至工件完成，最后除去未粘結(jié)的粉末材料并經(jīng)固化或打磨等后處理，得到成形制件。戶-盛爪晤慧鋪粉打印循環(huán)工作臺下移叮卿秒圖1一1粉末粘結(jié)成形三維打印的工作原理由粉末粘結(jié)成形三維打印的工作原理可知，基于該技術的三維打印快速成形系統(tǒng)主要應由以下幾部分組成:打印頭及其控制系統(tǒng)(包括打印頭、打印頭控制和粘結(jié)劑材料供給與控制)、粉末材料系統(tǒng)(包括粉料儲存、喂料、鋪料及回收)、三個方向的運動機構(gòu)與控制(包括打印頭在X軸和Y軸方向的運動，工作臺在Z軸方向的運動)、成形室、控制硬件和軟件。由于未粘結(jié)的粉末材料可以作支撐

然后采用以色列oBJET公司的光固化三維打印快速成形機制作出了精確的連體嬰兒頭顱模型(如圖1一3所示)，根據(jù)制作的嬰兒頭顱模型在開展分離手術前進行了鎮(zhèn)密的方案研究，最后只用了22個小時就成功地完成了分離手術，而以往相類似的手術則需要長達97小時以上[13，16]。圖1一3連體嬰兒的頭顱模型利用三維打印快速成形技術制造的功能原型件可以用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計檢查，裝配干涉檢驗，靜、動力學試驗、物理和機械性能試驗、風洞試驗、人機工程試驗

【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 付堯;馮清秀;;基于DSP的三維打印機控制系統(tǒng)研究[J];機電工程;2014年02期

相關博士學位論文 前1條

1 陳新偉;三維噴繪機理及大幅面3D噴繪機器人關鍵技術研究[D];南開大學;2012年

相關碩士學位論文 前8條

1 房巨強;三維打印快速成形機理及其加工質(zhì)量控制技術研究[D];東北大學;2010年

2 宮靜;面曝光快速成形技術的變形研究[D];西安工程大學;2012年

3 楊猛;3D打印驅(qū)動電路設計及文件切片算法研究[D];北京印刷學院;2014年

4 程爽;粉末粘接三維打印機噴頭驅(qū)動控制系統(tǒng)設計[D];華中科技大學;2013年

5 肖博;片劑生產(chǎn)型三維打印設備關鍵技術研究[D];華中科技大學;2013年

6 王煥美;基于UV油墨的3D打印數(shù)學模型及質(zhì)量控制研究[D];華南理工大學;2014年

7 張曉青;3D打印技術應用于文物復制的可行性研究[D];北京印刷學院;2015年

8 張斌;3D打印驅(qū)動關鍵技術研究[D];北京印刷學院;2015年

本文編號：2732837