西安科技大学硕士学位论文
三维打印快速成型机材料的研究
姓名：孙国光申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化
指导教师：杨来侠
20080415
论文题目：三维打印快速成型机材料的研究专业：机械制造及其自动化硕士生：孙国光指导老师：杨来侠（㈣掣一．（签名）孑ｊ，圄儿一Ｉ１摘要快速成型制造技术是制造业发展的一个重要方向，也是当前各大学、研究机构和企业竞相开发的前沿制造技术。在这一领域美国一直处于领先地位，而欧洲国家、日本和中国也取得了丰硕的成果。目前，快速成型技术成本相对较高，主要应用在一些大企业，因此，研究的热点问题主要集中在降低成本、开发新型能源、新型材料和新的成型工艺与方法上，以加快快速成型技术的推广。在这种形势下，三维打印快速成型机诞生了。三维打印技术无需激光系统，造价和使用成本低，且可靠性高，设备体积小，成形速度快，是一种能够被普及的快速成形系统。本文对三维打印成型机的材料，尤其是粉末材料进行了详细讨论，分析了粉末的形状、粒度、粒度分布、粉末密度和成分以及溶液饱和度等对成型的影响，介绍了淀粉、石膏等粉末及其粘接材料。开发了石膏基复合粉末和与之匹配的粘接溶液，通过试验和制件微观组织的分析，确定了主要添加剂成分以及在成形过程中的作用，并对所选用粉末的和粘接溶液的理化性能进行了测定。本课题设计研发的三维打印快速成型机的材料，采用石膏与添加剂的混合粉末作为主要原材料，与目前其它快速成型技术相比，成本更低，更环保，采取适当的工艺使其具有相当的强度，可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用。将带限制的混料均匀设计应用于粉末的配方设计，在不影响分析粉末成分对制件性能影响规律的前提下，极大地减少了试验次数。得到了粉末配方对制件各种性能的回归方程组。建立粉末配方的多目标优化模型。求解最优配方并进行试验验证，其误差小于１０％，回归和优化结果在试验涵盖的范围内有效，可作为配方选择的依据。关键词：三维打印；快速成型；粉末配方；均匀设计研究类型：应用研究Ｓｕｂｊｅｃｔ：ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓｉｎ３ＤＰＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｐｅｃｉａｌｔｙ：Ｎａｍｅ：ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＳｕｎＧｕｏｇｕａｎｇＹａｎｇＬａｉｘｉａａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｅｃｈｎｉｑｕｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ，ａｎｄｉｔｉｓａｌｓｏｔｈｅｆｒｏｎｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆａｃｉｌｉｔｙａｎｄｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．ＡｍｅｒｉｃａｎｉｓｉｎｌｅａｄｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ，ｓｕｃｈａｓａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｕｎｔｒｙａｌｓｏａｃｑｕｉｒｅｄｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔＪａｐａｎ，ＣｈｉｎａａｎｄｓｏｍｅｃｏｕｎｔｒｙｉｎＥｕｒｏｐｅ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅｃｏｓｔｏｆＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｂｙｂｉｇｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｈｉｇｈｃｏｓｔ，ＳＯｔｈｅｈｏｔｔｏｐｉｃｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｍａｉｎｌｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｉｎｒｅｄｕｃｉｎｇｃｏｓｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｎｅｗｅｎｅｒｇｙ，ｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｃｒａｆｔ，ＳＯｔｈａｔＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｏｍｅｏｕｔ．３ＤＰｉｓａＰｒｉｎｔｉｎｇ（３ＤＰ）ｋｉｎｄｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＲＰｗｈｉｃｈＣａｎｂｅｗｉｄｅｌｙａｃｃｅｐｔｅｄｆｏｒｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌａｓｅｒ－ｆｒｅｅ，ｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｍｐａｃｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔｉｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌａｐｐｌｉｅｄｉｎ３ＤＰｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆ３ＤＰ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｔｓｐｏｗｄｅｒａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｏｗｄｅｒ’Ｓｓｈａｐｅ，ｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｌｉｑｕｉｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎｆｏｒ３ＤＰｐｒｏｃｅｓｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｋｉｎｄｓｏｆｐｏｗｄｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔａｒｃｈ，ｇｙｐｓｕｍｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｇｙｐｓｕｍｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｕｎｄｐｏｗｄｅｒｍｉｘｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｉｒｂｏｎｄａｎｄｉｔｓｂｏｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｄｄｉｔｉｖｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｂｏｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ．ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒｍｉｘｔｕｒｅａｎｄｔｈｅＴｈｅＭａｔｅｒｉａｌｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｔｈｉｓＰｒｏｊｅｃｔｈａｓｍｕｃｈｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｓｕｃｈａｓｌｏｗｅｒｃｏｓｔ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｔｈｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｕｓｅｓｍｉｘｔｕｒｅｏｆｇｙｐｓｕｍａｎｄａｄｄｉｔｉｖｅＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｂｅｃａｕｓｅｔｈｅａｓｉｔｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ．ＴｈｅＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＳＯＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｄｏｐｔｓｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｃｒａｆｔｍａｄｅｔｈｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｓｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｓｃｏｎｃｅｐｔｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｔｈａｔｃａｎｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｔｅｓｔＰｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｍｏｌｄａｎｄｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｌａｓｔｉｃａｎｄｒｅｓｉｎｍｏｄｅｌｉｎｓｏｍｅｄｅｇｒｅｅ．ＭｅｔｈｏｄｏｆＵｎｉｆｏｒｍＤｅｓｉｇｎ、Ⅳｉｔｈｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｍｉｘｔｕｒｅｓｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｐｏｗｄｅｒｍｉｘｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｏｒｋａｌｅｇｒｅａｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｏｕｔａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｉａｎｏｆｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｗｉｔｈｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｓｔｏ３ＤＰｐｒｏｄｕｃｔ’Ｓａｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｓｍｉｘｔｕｒｅｓｍｏｄｅｌｉｓａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｔｅｒｍｓｓｅｔｕｐａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｏｐｔｉｍｕｍｒｅｓｕｌｔｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１０％，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｇｒｅｓｓａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｔｈｅｃｅｒｔａｉｎｍｉｘｔｕｒｅｓ．ｅｒｒｏｒａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｒａｎｇｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔＣａｎｂｅｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ：ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰｒｉｎｔｉｎｇＵｎｉｆｏｒｍＤｅｓｉｇｎＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＰｏｗｄｅｒＭｉｘｔｕｒｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＴｙｐｅ：ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌ要料技大学学位论文独创性说明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：孔，烈支』期：硼多．多。６学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：孔国灿指导教师签名：凇掰ｌ么汐彩年多月７Ｅｔ