基于数字化微滴喷射工艺的异质材料零件直接制造基础研究

Homogeneous objects are restricted to be employed to meet the requirements of industrial productions currently,therefore,heterogeneous objects(HEO) have gained great popularities and research interests recently. Separate studies on HEO CAD/CAE/CAM fail to consider the design problem in an intergrated manner and are somehow problematic in HEO manufacturing behavior.Towards the goals,the followings will be studied in the proposal: 1) The visualization and finite elements analysis(FEA) for HEO will be explored based on the colored STL format we approached. 2)Fundamental study on micro-droplets formation,microfluid behavior and HEO prototype properties will be carried out with transient temperature field simulation and diffusion equations. After the above framework of HEO theories and technical roadmap,HEO software for CAD visualization and FEA middleware are expected to be developed on the rapid prototyping appratus we made for HEO prototypes with multi-materials. For the further optimization of HEO design and physical performance improvement,HEO prototypes properties need to be properly tested and evaluated.

目前的均质材料零件越来越难以满足产品的功能需求，因此异质材料零件的研究近年来受到国内外学者的高度关注。然而当前在异质材料零件建模理论和成型方法等方面的研究相互孤立，尚未形成 CAD/CAE/CAM一体化，同时对异质材料零件的成型机理尚不清晰。本项目主要研究： 1）从异质材料零件建模角度，基于提出的异质材料零件彩色STL模型数据格式，研究异质材料零件的可视化及其有限元分析方法。 2）从异质材料零件成型机理角度，提出采用多相瞬态场统一数值分析模型和多相材质扩散方程等方法，研究异质材料零件成型过程中的微滴形成、微流体特性和成型特性等问题。基于提出的理论与技术路线，依托已有的多材料快速成型系统样机，开发出异质材料零件CAD可视化软件和 FEA 中间件，开展异质材料微滴喷射和成型实验，并对异质材料零件样件进行性能测试及评价，为实现异质材料零件的并行设计与制造提供结构优化和性能改善的有效参量。

本项目主要研究异质材料零件的数字微喷3D打印建模理论、成型机理及制造工艺基础。在数字微喷3D打印建模理论方面，提出异质材料零件动态建模理论，采用节点细分法实现了异质材料零件的材料、结构与功能的并行设计，开发了基于彩色STL模型的数据结构来表达异质材料零件的结构与信息映射方法；在异质材料零件成型机理与制造工艺基础方面，基于搭建的数字微喷异质材料零件3D打印成型装置，研究了多喷头多材料3D打印工艺基础，开发了面向异质材料零件的多自由度法向切片算法及软件原型，利用开发的用于数字微喷3D打印工艺的多种成型材料，进行了不同材料的成型性能测试，并对异质材料样件进行了微观机理分析与实验研究，初步总结出可实现多种材质的数字微喷3D打印成型工艺，基本形成了异质材料零件的数字化建模、材料及功能一体化的成型方法。.本项目所获得的研究成果，已发表论文36篇，其中SCI检索16篇；申请发明专利16项、实用新型专利10项，其中授权实用新型专利7项；出版著作7部，其中专著1部；以本项目的研究成果为主要内容获得江苏省科学技术二等奖1项；培养研究生8名及年轻教师4名。本项目的研究成果对今后课题组继续在异质材料零件制造方面提供了理论指导和制造基础，为智能制造及快速成型领域开辟了新的发展方向。