【摘 要】
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功能梯度材料（Functionally Graded Materials,FGMs）凭借其优良性能,广泛应用于各个领域。然而传统的功能梯度材料制备技术存在生产周期长、成本高,难以制造复杂形状零件等问题,限制了功能梯度材料在众多领域方向的应用。随着材料挤出成形3D打印技术的快速发展,利用该技术制备适用于复杂环境下的功能梯度材料成为当前研究的热点。目前,基于单挤出头配合动态混料的微流挤出式3D打印方法
【基金项目】
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河北省科技计划项目（17211808D）; 河北省中央引导地方科技发展资金项目（216Z1804G）
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功能梯度材料（Functionally Graded Materials,FGMs）凭借其优良性能,广泛应用于各个领域。然而传统的功能梯度材料制备技术存在生产周期长、成本高,难以制造复杂形状零件等问题,限制了功能梯度材料在众多领域方向的应用。随着材料挤出成形3D打印技术的快速发展,利用该技术制备适用于复杂环境下的功能梯度材料成为当前研究的热点。目前,基于单挤出头配合动态混料的微流挤出式3D打印方法制备复杂功能梯度材料,其相关工作设备、建模方法以及路径规划算法尚不成熟。针对上述问题,研发了基于微流挤出成形工艺的功能梯度材料3D打印原型机,建立了功能梯度材料3D打印切片软件环境,提出了功能梯度材料建模方法与适于功能梯度材料3D打印的路径规划算法。论文主要研究内容如下:（1）研发基于微流挤出成形工艺制备高固含量浆料组成的功能梯度材料的3D打印原型机。确定功能梯度材料3D打印机的机械结构合理布局各运动系统,设计笛卡尔坐标系下三方向叠加空间运动系统、实现成形平台与双材料进给系统,并通过变径螺杆主动混合的方式对膏体材料进行混合与加压,实现功能梯度材料的3D打印。（2）开发适用于功能梯度材料3D打印切片软件。该软件系统可以实现商业切片软件所具有的一般功能,在此基础上提出多种常规路径规划方法、功能梯度材料建模以及功能梯度材料路径规划方法,可以通过视图可视化查看模型结构与材料分布状态,设计详细打印参数与调换打印方法,并能够生成含有几何信息与材料信息的可执行G代码指令。（3）提出基于梯度源及空间映射的功能梯度材料建模方法。根据功能梯度材料设计原则与空间映射理论,在材料空间建立B样条曲面与多种属性的点梯度源相结合构建复杂材料分布模型。运用映射函数将材料结构分布映射至基于打印分辨率的路径体素化几何模型中,建立具有连续梯度变化的复杂功能梯度材料模型。（4）针对功能梯度材料打印过程中两种浆料实时混合和延迟挤出的特点,开发功能梯度材料路径规划算法。为避免多组分材料在混料中相互纠缠,提出基于打印分辨率自适应合并的路径规划算法,在分辨率栅格单元内自动识别材料组分变化趋势并规划打印路径方向。通过合并相同或相似打印分辨率单元,减少材料组分反复变化次数与打印步数,提高打印精度与效率。并结合针对打印偏移造成的材料滞后问题,在路径规划中提出打印空行程算法,增加空行程路径,将材料信息前置,使几何点上材料信息与路径信息错位打印,实现打印偏移距离精准补偿。
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