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3D打印技术起源于20世纪80年代,又称增材制造或快速成型技术,以数字模型文件为基础,采用离散原材料(粉末、丝、片、板、液体等)以逐层累加的方式来制作任意复杂造型实体的技术,该技术具有出产周期短、成本低等特征。3D打印根据成形工艺可分为熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)、选择性激光烧结成型(SLS)、叠层实体制造(LOM)等。其中,FDM技术具有材料的利用率高、成本低、操作简单等优点,因此具有最广泛的应用。由于FDM成型特点,成型试件的力学性能存在各向异性:试件沿扫描方向上的力学强度远高于垂直于成型面方向上的层间粘结强度。在实际工业运用中,零件的受力情况复杂多变,需要成型件在各个方向受力均衡。因此,提升成型零件的整体力学性能是FDM技术在实际工业应用中的关键问题。首先,根据FDM高分子成型原理提出层间预熔的成型工艺,结合热仿真设计搭建预熔喷头装置,以达到对于成型件的层间预熔温度的调控。通过实验测试,以PLA水平打印件为基准对比试样,探究了在FDM打印过程中,打印层的预熔温度对PLA垂直打印件层间结合情况及力学性能的影响。结果表明,随着预熔温度的升高,PLA垂直打印试件的最大拉伸强度呈现先增大后减小的趋势,并且在预热片温度为80℃时垂直打印试件的拉伸强度达到最大,其平均拉伸强度可达到水平打印件的89.1%,而在无预热条件下的垂直打印件力学性能只达到水平打印件的66.9%。其次,通过独立因素试验,横向对比传统的热处理工艺对垂直打印试件力学性能的影响,实验数据表明层间预熔的成型工艺在提升PLA打印件的层间结合力上优于传统的热处理工艺。最后,结合实验数据与工艺探究,开发集成预熔喷头的FDM成型装备。设计优化预熔装置,设备实现全域预熔温度的调控;开发设计随动集热装置实现预熔温度高温区域的集中,减少热量损失及维持预熔温度的稳定;设计开发封闭的保温腔,构建温度区域的隔离,降低内部工作温度与室温环境的热传导,实现适宜的人机交互环境温度;搭建设备散热装置、硬件系统,完成整机设计搭建,全域预熔温度最高可达200℃,设备可适配于打印市场上能见到绝大多数工程塑料。