基于微滴喷射的陶瓷3D打印机理研究

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陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、抗烧蚀、防辐射等特殊的功能性,在医疗修复、航空航天等领域受到越来越多的关注,但传统的陶瓷成形方法难以满足现代工业的多样化需求。微滴喷射3D打印技术,作为增材制造的一种工艺方法,具有成形精度高、加工柔性高、制造周期短等优点,使微滴喷射3D打印技术成为陶瓷材料成形的研究热点之一。本文通过水平集法模拟分析了氧化锆陶瓷墨水的物理性能对陶瓷墨滴形成以及墨滴撞击基板过程的影响机制,得出适合于微滴喷射打印的陶瓷墨水性能参数和成形工艺参数,并经过实验进行验证,证明数值模拟与实验结果的一致性。首先,通过COMSOL Multiphysics软件模拟不同粘度、表面张力和密度的陶瓷墨水在不同压电脉冲和喷嘴直径下的微滴喷射行为,得到了适合稳定喷射的陶瓷墨水性能参数、压电脉冲参数和喷嘴直径参数。其次,针对可稳定喷射的陶瓷墨水,进一步通过COMSOL Multiphysics软件模拟陶瓷墨滴撞击基板的动态过程,得到了墨滴的物理性能、初速度及平衡状态时的接触角对墨滴撞击基板过程的影响规律。最后,依据数值模拟结果配制陶瓷墨水、设置打印成形工艺参数,通过微滴喷射陶瓷3D打印实验验证墨水与打印设备的匹配性以及模拟结果的可靠性。得到了适合于微滴喷射打印的喷嘴直径为5~60μm,压电脉冲幅值为50~70 V,陶瓷墨水的适印性综合评价范围为1<Z<4。通过本文的研究,对微滴喷射3D打印陶瓷墨水的制备及其打印成形参数的设置具有重要的指导意义,为3D打印高精度陶瓷构件的应用提供了理论和实验依据。
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