【摘 要】
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粘结剂喷射增材制造（binder jetting additive manufacturing,BJAM）,也被称为3DP,具有成型速度快,无需支撑,材料选择范围广以及可在室温和空气中进行等优点。但目前广泛采用的金属盐粘结剂或有机粘结剂需要在去粉前加热,降低了生产效率和尺寸精度。光固化粘结剂在紫外光照射下会发生交联反应,实现打印过程中固化。铺粉过程和粘结剂的渗透过程对光固化BJAM的打印件的尺寸精
【基金项目】
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广东省重点领域研发计划项目“无热源多喷头3D打印复合制造系统”（2018B090905002）
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粘结剂喷射增材制造（binder jetting additive manufacturing,BJAM）,也被称为3DP,具有成型速度快,无需支撑,材料选择范围广以及可在室温和空气中进行等优点。但目前广泛采用的金属盐粘结剂或有机粘结剂需要在去粉前加热,降低了生产效率和尺寸精度。光固化粘结剂在紫外光照射下会发生交联反应,实现打印过程中固化。铺粉过程和粘结剂的渗透过程对光固化BJAM的打印件的尺寸精度和力学性能有很大影响。本文采用计算和实验结合的方法,研究了紫外光固化BJAM中铺粉过程和液滴渗透过程。主要研究内容和成果如下:1.铺粉过程的数值计算。采用离散元方法建立了光固化BJAM中铺粉的物理模型和数学模型,研究了铺粉方式、粉末表面能、辊子转速和辊子移速对成型质量和精度的影响,发现辊子铺粉优于刮刀铺粉,粉末流动性提高会加剧铺粉造成的固化层移,辊子移速和转速太大或者太小都会降低铺粉质量。2.铺粉仿真的实验验证。通过实验方法对数值计算中粉末表面能,辊子转速和辊子移速对铺粉质量和铺粉对打印层的推动进行了验证,实验结果与仿真结果吻合,进一步验证了粉末流动性太高会导致层移的产生,并且发现层移主要集中在前10层。3.粘结剂液滴铺展渗透数值计算。基于粉末颗粒固定不动的假设和VOF模型建立了粘结剂液滴在粉床内部铺展渗透的三维物理模型和数学模型,并研究了颗粒尺寸、液滴下落速度和接触角对铺展渗透过程的影响。发现采用小粒径粉末不一定会提高打印精度;液滴下落速度对铺展直径影响较大,对渗透深度影响较小;太好的润湿性可能会导致气泡的存在,降低打印件的精度和力学性能。同时对微米级液滴撞击并渗透进粉末床的机理进行了修正,将铺展渗透过程分为撞击驱动（前0.5ms）和毛细驱动阶段（0.5ms以后）。4.不同粉末直径下的铺展渗透实验验证。分别在两种不同尺寸的316L不锈钢粉末上打印了相同设计宽度的样品,发现采用细粉打印的样品的宽度误差更大,层厚更小,验证了数值计算中颗粒尺寸变化时的计算结果,同时也说明了采用更细的粉末反而可能会降低样品的尺寸精度和力学性能。
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