馬碩,韓碩,王世杰,韓曉偉,王龍,段國林

(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300401)

隨著當(dāng)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品功能及性能的要求提高,由均質(zhì)材料制造的零件其性能已難以滿足產(chǎn)品的功能需求。因此,非均質(zhì)材料的制造成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一,而功能梯度材料就是其中具有代表性的一種[1]。功能梯度材料(Functionally graded materials, FGMs)這一概念最早由日本學(xué)者提出[2],它是指構(gòu)成材料的組分、結(jié)構(gòu)沿空間方向呈梯度變化,從而使材料的性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種非均質(zhì)復(fù)合材料。由于傳統(tǒng)制備方法存在工藝復(fù)雜、成本高,難以制備復(fù)雜組分或結(jié)構(gòu)的功能梯度材料等問題[3-4],3D打印憑其優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展。3D打印是一種可靠的自由成型技術(shù),通過在指定位置精確沉積材料,可以直接制造細(xì)節(jié)精細(xì)的定制組件。目前用于功能梯度材料3D打印的工藝主要包括定向能量沉積、材料噴射成型以及材料擠出成型[5]。由于零件是由多種材料組成,且材料組分呈梯度變化,因此要打印該零件必須對(duì)材料進(jìn)行配比組合,在路徑規(guī)劃時(shí)必須考慮材料信息[6]。Zhou等[7]提出了一種將幾何距離場與材料距離場統(tǒng)一起來的打印路徑軌跡規(guī)劃算法來表示和制造功能梯度對(duì)象。Xiao等[8]提出了一種打印路徑自動(dòng)生成方案,切片時(shí)將每層路徑信息像素化,優(yōu)先打印與前一個(gè)具有相同材質(zhì)組成的相鄰像素。Ozbolat和Koc[9]提出了一種基于層的算法連續(xù)生成鋸齒形和螺旋形打印路徑的雙層模式,來生成具有內(nèi)部特征的多孔非均勻結(jié)構(gòu)。

材料擠出是將材料通過噴頭擠出的增材制造工藝,在制備功能梯度材料時(shí)需要多個(gè)擠料筒,多種材料經(jīng)過混料筒混合后由擠出頭擠出。當(dāng)材料組分發(fā)生變化時(shí)存在延遲現(xiàn)象,在路徑規(guī)劃時(shí)要補(bǔ)償切換材料的延遲才能保證成型件的幾何精度和材料組分精度。但上述研究中并未考慮材料轉(zhuǎn)變時(shí)的延遲現(xiàn)象。隨著研究的不斷深入,Li等[10]通過材料按需擠壓控制每個(gè)陶瓷膏體的體積流量,以實(shí)現(xiàn)氧化鋁和氧化鋯之間的梯度變化,打印了一條蛇形軌跡探究兩種材料之間的延遲現(xiàn)象。Pelz等[11]用碳化硼(B4C)和碳化硅(SiC)兩種材料,在“命令更改”點(diǎn)處從100% B4C更改為100% SiC擠出了一條蛇形軌跡,并用灰度值計(jì)算沿軌跡的成分值。宋正義[12]使用打印機(jī)擠出紅藍(lán)兩種墨水材料,對(duì)打印偏移特性進(jìn)行分析,揭示了影響偏移量的主要因素及其影響規(guī)律,建立了擠出式梯度打印材料偏移的理論模型,保證了打印梯度分布的精確度。Brackett等[13]使用新型雙料斗研究了純丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和碳纖維增強(qiáng)ABS之間的轉(zhuǎn)變。采用3種技術(shù)測量纖維含量,探索了兩種材料相互轉(zhuǎn)變的過渡距離。Muller等[14]模擬了各種打印路徑策略的性能,并將模擬結(jié)果與制造的樣品進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)當(dāng)同一條擠出絲上材料變化頻繁時(shí),由于延遲現(xiàn)象導(dǎo)致材料信息吻合度較低。

目前,對(duì)材料之間延遲現(xiàn)象的研究主要集中在從一種材料過渡到另一種材料,對(duì)不同組分材料之間延遲的研究較少。在打印過程中當(dāng)材料組分發(fā)生變化時(shí),需要將擠出頭移至打印區(qū)外,擠出材料組分發(fā)生過渡變化的非理想漿料,當(dāng)漿料過渡到指定的組分時(shí),再將擠出頭移到打印區(qū)進(jìn)行打印。這一清洗過程增加了打印復(fù)雜程度,使擠出絲不連續(xù),繼而影響零件的最終成型質(zhì)量。因此,探究擠出式3D打印過程中材料各組分之間轉(zhuǎn)變的延遲規(guī)律,設(shè)定偏移距離并提前發(fā)送材料變化指令對(duì)提高梯度材料的打印質(zhì)量來說是至關(guān)重要的。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用的設(shè)備是自主研發(fā)的基于微流擠出成型的雙料筒3D打印機(jī),如圖1a)所示。該設(shè)備基于逐層疊加的理念,在計(jì)算機(jī)控制環(huán)境中不斷擠出材料來構(gòu)建三維物體。材料A、B分別采用柱塞擠入混料筒,使用G代碼自動(dòng)控制成分從而向進(jìn)料系統(tǒng)發(fā)送命令,通過控制兩種漿料的體積流量來控制材料成分,漿料通過螺桿混合最后經(jīng)擠出頭擠出?；炝涎b置由兩個(gè)入口、一個(gè)腔室、一個(gè)電機(jī)、一個(gè)螺桿和一個(gè)出口組成,容積為2 054 mm3,混料裝置如圖1b)所示。

圖1 雙料筒3D打印機(jī)及混料裝置Fig. 1 Dual-cartridge 3D printer and mixing device

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與過程

為了探究不同組分材料之間轉(zhuǎn)變的過渡距離,采用綠色和白色的兩種碳酸鈣膏體打印一條蛇形軌跡。打印過程中的噴頭直徑為0.5 mm,室溫25 ℃,打印平臺(tái)速度2.93 mm/s。打印一層蛇形軌跡,其尺寸為80 mm×80 mm×0.5 mm。打印試樣的起點(diǎn)發(fā)出“成分改變”命令,材料經(jīng)過不斷混合擠出,并從一種材料組分過渡到指定的材料組分。打印完成后將試樣掃描成圖片并轉(zhuǎn)化成灰度圖進(jìn)行分析,通過計(jì)算灰度變化表示兩種材料組分變化。

2 理論分析

2.1 過渡距離

材料擠出式3D打印機(jī)在制備功能梯度材料時(shí),當(dāng)改變材料組分的控制命令發(fā)出后,材料組分不會(huì)立即發(fā)生變化。相反,在擠出絲材料成分改變之前會(huì)觀察到延遲,這種延遲是由于混料筒前面仍在擠壓的材料造成的。此外,在擠出過程中材料自身的壓縮性也會(huì)造成一定的影響,這與材料種類和材料黏度均存在一定關(guān)聯(lián)。Li等[10]采用加入染色劑的兩種材料打印了一條兩種材料互相轉(zhuǎn)變的蛇形軌跡,材料組分在4個(gè)周期內(nèi)根據(jù)指令信號(hào)周期性變化,如圖2a)所示。顏色波動(dòng)的模式在每個(gè)周期中都是相似的,這意味著材料過渡時(shí)的延遲是可重復(fù)的。

圖2 過渡距離的周期性變化[10]Fig. 2 Periodic changes in transition distance[10]

將一個(gè)周期的延遲分為交付延遲和過渡延遲兩部分,如圖3所示。交付延遲階段材料組分不發(fā)生變化,是清除料筒前端中殘余料的結(jié)果;過渡延遲階段材料組分不斷變化,其長度與材料在混料筒流道中的流動(dòng)行為以及流道的體積有關(guān)。交付延遲和過渡延遲之和為發(fā)出材料組分變化命令到擠出所需組分材料的延遲,并把這一段距離定義為過渡距離。不同材料組分之間轉(zhuǎn)變的過渡距離是不同的。因此,找到其中的規(guī)律并在打印路徑規(guī)劃中提前發(fā)送命令信號(hào)對(duì)過渡距離進(jìn)行補(bǔ)償,在連續(xù)打印的情況下保證成型件的幾何精度和材料組分精度是十分必要的。

圖3 過渡距離Fig. 3 Transition distance

2.2 偏移距離

由于材料改變時(shí)存在延遲現(xiàn)象,因此在打印過程中擠出頭當(dāng)前位置擠出的材料并不是這一時(shí)刻G代碼中對(duì)應(yīng)的組分,而是前一部分發(fā)出指令所要求的組分。因此,要在指定的位置擠出指定的材料組分就要對(duì)過渡距離進(jìn)行補(bǔ)償,通過將控制材料組分的G代碼提前發(fā)送的方式來補(bǔ)償過渡距離的影響,提前的這一段距離定義為偏移距離。其大小理論上等于過渡距離,在實(shí)際打印中采用理論分析與實(shí)際打印測試進(jìn)行對(duì)比總結(jié)得出。具體來講,在不改變之前幾何坐標(biāo)點(diǎn)位置代碼的前提下,將原本代表材料組分的G代碼逐個(gè)向前偏移,偏移距離為Loffset,如圖4所示。

圖4 偏移距離Fig. 4 Offset distance

最終得到實(shí)際打印功能梯度材料的G代碼為當(dāng)前點(diǎn)的空間絕對(duì)坐標(biāo)信息和后一點(diǎn)的材料組分配比信息。對(duì)于J點(diǎn)(見圖4)改變前后的控制模型如下所示:

改變前:

G01xJ_yJ_zJ_R1(xj,yj,zj)_R2(xj,yj,zj)_…

Ri(xj,yj,zj)_…Rn(xj,yj,zj)_F_

改變后:

G01xJ_yJ_zJ_R1(xK,yK,zK)_R2(xK,yK,zK)_…

Ri(xK,yK,zK)_…Rn(xK,yK,zK)_F_

其中“G01xJ_yJ_zJ_”代表打印機(jī)直線插補(bǔ),“Ri(xK,yK,zK)_”代表擠出不同材料的進(jìn)給量,“i(i=1,…,n)”代表材料種類,“xK,yK,zK”代表在材料空間中K點(diǎn)處(見圖4)材料i所占體積分?jǐn)?shù),“F_”代表進(jìn)給速度,功能梯度材料模型空間內(nèi)J點(diǎn)與K點(diǎn)之間的距離就是偏移量Loffset。在考慮偏移距離情況下,材料信息與幾何信息組合示意圖如圖5所示。

圖5 實(shí)際打印中引入偏移距離Fig. 5 Introduction of offset distances in actual printing

2.3 過渡距離計(jì)算

在整體的打印過程中,擠出絲通過疊加堆積形成三維實(shí)體,擠出絲作為最基本的元素其質(zhì)量決定了成型件的整體質(zhì)量,擠出絲的直徑也決定著過渡距離的大小。在許多重要的性能指標(biāo)中,擠出流速(即單位時(shí)間內(nèi)通過打印針頭的體積)對(duì)擠出絲的影響是最顯著的。而擠出流速受到幾個(gè)因素的影響,包括工藝參數(shù)(施加的擠出壓力和溫度)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和打印漿料的流動(dòng)特性。在確定漿料以及擠出設(shè)備的基礎(chǔ)上,擠出壓力是最主要的影響。根據(jù)Chen[15]提出的擠出流速VZ模型為

(1)

式中:R為針頭半徑,mm;ΔPn為沿針頭的壓強(qiáng)差,kPa;Ln為針頭長度,mm。式(1)表明,打印漿料在針頭內(nèi)的速度是針頭半徑的函數(shù)。

根據(jù)流速模型通過積分橫截面上的速度計(jì)算體積流率Q為

(2)

式中:K為恒定流量指數(shù),K=12 Pa·sn;n為無量綱流動(dòng)行為指數(shù),n=0.34,測量了漿料在不同打印壓力下的流量。

根據(jù)式(2)將得到的壓強(qiáng)差與流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,如圖6所示。

圖6 體積流率Q與壓強(qiáng)差ΔPn的擬合曲線Fig. 6 Fitted curve of volume flow rate Q versus pressure difference ΔPn

流量與壓強(qiáng)差和針頭直徑密切相關(guān)。在一定時(shí)間內(nèi)可以計(jì)算擠出體積VS為

VS=Qt

(3)

假設(shè)針頭擠出的漿料為圓柱體,最后理論過渡距離Loffset為

(4)

式中:D為擠出絲直徑。擠出壓強(qiáng)差ΔPn越大擠出漿料的體積越多,同時(shí)擠出脹大現(xiàn)象越明顯導(dǎo)致擠出直徑D也增大,所以過渡距離Loffset會(huì)減小。但受限于打印平臺(tái)移動(dòng)速度,過大的擠出體積量會(huì)導(dǎo)致打印中漿料過堆積,降低打印質(zhì)量;同樣過小的擠出體積量會(huì)使打印不連續(xù),同樣影響打印質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 不同因素對(duì)過渡距離的影響

3.1.1 不同組分材料之間過渡距離

選用針頭直徑0.5 mm,螺桿轉(zhuǎn)速14 r/min,擠出頭移動(dòng)1 mm時(shí)材料A、B總進(jìn)給量2.007 mm3,分別打印從100%A,0%B采用9∶1的進(jìn)料比過渡到90%A,10%B;從90%A,10%B采用7∶3的進(jìn)料比過渡到70%A,30%B;從70%A,30%B采用5∶5的進(jìn)料比過渡到50%A,50%B;從50%A,50%B采用3∶7的進(jìn)料比過渡到30%A, 70%B;從30%A,70%B采用1∶9的進(jìn)料比過渡到10%A,90%B;從10%A,90%B采用0∶10的進(jìn)料比過渡到0%A,100%B,來模擬在實(shí)際打印情況中各材料組分之間的轉(zhuǎn)變,并得到不同過渡距離的蛇形軌跡。將打印得到的成型件掃描成圖片后采用MATLAB軟件轉(zhuǎn)化為灰度圖進(jìn)行分析,在得到的灰度圖中沿打印路徑按擠出頭移動(dòng)的軌跡等距離選點(diǎn),每條擠出絲上選取6個(gè)點(diǎn),如圖7a)所示(圖中只標(biāo)出了兩條擠出絲上的選點(diǎn))。計(jì)算所選一系列點(diǎn)的灰度值并擬合得到一條灰度變化曲線,通過灰度來表示材料組分的變化,打印結(jié)果及材料組分變化如圖7所示。

圖7 各材料組分之間轉(zhuǎn)變及材料組分分析Fig. 7 Transformation between material components and analysis of material components

發(fā)出改變材料組分的命令后,材料經(jīng)過交付階段和過渡階段轉(zhuǎn)變到指定的組分,在交付階段材料的組分不發(fā)生變化,過渡階段材料的組分逐漸變化達(dá)到指定的材料組分后停止變化。圖7為組分B體積分?jǐn)?shù)不變的一段直線和逐漸增大的斜線,直到過渡到指定的材料組分后保持水平。不同組分材料之間轉(zhuǎn)變時(shí),交付階段和過渡階段的距離也不相同。

在圖7所示的材料組分變化中,由于在每條擠出絲上(長80 mm)選取的點(diǎn)是有序等距的,根據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)即可計(jì)算出材料組分之間轉(zhuǎn)變的過渡距離。當(dāng)組分B的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)記錄此點(diǎn)之前所有點(diǎn)的個(gè)數(shù),根據(jù)每個(gè)點(diǎn)之間的距離計(jì)算出材料組分轉(zhuǎn)變時(shí)的過渡距離,過渡距離由交付階段和過渡階段兩部分組成,并將各組分材料之間的過渡距離繪制成曲線圖,如圖8a)所示。當(dāng)材料從100%A,0%B采用9∶1的進(jìn)料比過渡到90%A,10%B時(shí)材料的過渡距離最長,并且隨著材料B的含量不斷增加總過渡距離逐漸減小,這是由于材料B的進(jìn)給量不斷增加導(dǎo)致的。不同組分材料之間轉(zhuǎn)變的過渡距離規(guī)律復(fù)雜,當(dāng)材料組分變化值相同時(shí),例如90%A,10%B過渡到70%A,30%B和70%A,30%B過渡到50%A,50%B時(shí)材料組分變化值都為20%,但過渡距離不同。在打印過程中要提前設(shè)定偏移距離對(duì)材料延遲現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),由于偏移量不斷變化增加了操作難度。在過渡距離的過渡階段部分,將一條擠出絲上組分B的體積分?jǐn)?shù)變化率定義為材料轉(zhuǎn)變率。當(dāng)材料從100%A,0%B采用9∶1的進(jìn)料比過渡到90%A,10%B和從10%A,90%B采用0∶10的進(jìn)料比過渡到0%A,100%B,材料轉(zhuǎn)變率最小,當(dāng)材料從50%A,50%B采用3∶7的進(jìn)料比過渡到30%A,70%B時(shí),材料轉(zhuǎn)變率最大,如圖8b)所示。

圖8 各材料組分之間的過渡距離和過渡時(shí)的材料轉(zhuǎn)變率Fig. 8 Transition distance between material components and material transition rate at transition

3.1.2 進(jìn)給量對(duì)過渡距離的影響

過渡距離的大小除了與進(jìn)料的材料組分比有關(guān)還受到其他因素的影響。例如料腔容積大小、材料的進(jìn)料壓力、漿料的流動(dòng)特性、針頭的直徑等多方面因素,在打印裝置及漿料確定的情況下,由式(4)可知壓力是影響過渡距離的重要因素,材料的進(jìn)料壓力變化主要由進(jìn)給量控制。打印了相同材料組分變化但進(jìn)給量不同的試件,擠出頭移動(dòng)1 mm,材料A、B總進(jìn)給量分別為2.007 mm3、1.766 mm3、1.523 mm3、1.036 mm3,材料組分從90%A,10%B采用7∶3的進(jìn)料比過渡到70%A,30%B,將打印得到的蛇形軌跡采用MATLAB轉(zhuǎn)變成灰度圖進(jìn)行分析,采用同樣的方法沿打印路徑按照擠出頭移動(dòng)的軌跡進(jìn)行選點(diǎn),分析材料組分的變化。打印的蛇形軌跡及材料組分分析如圖9所示。

分析圖9的材料體積分?jǐn)?shù)變化曲線,根據(jù)材料B體積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定之前所有點(diǎn)的個(gè)數(shù)計(jì)算得到材料組分從90%A,10%B采用7∶3的進(jìn)料比過渡到70%A,30%B時(shí)不同進(jìn)給量下的過渡距離,同樣將過渡距離分為交付階段和過渡階段兩部分。

首先,隨著進(jìn)給量的增加過渡距離減小,當(dāng)進(jìn)給量增大到某一范圍時(shí)過渡距離的減小幅度變緩并趨于穩(wěn)定,如圖10a)所示。其次,隨著進(jìn)給量增大擠出絲的直徑明顯增大,過大的擠出量與打印平臺(tái)移動(dòng)速度不匹配導(dǎo)致材料堆積現(xiàn)象,如材料進(jìn)給量為2.007 mm3時(shí)擠出絲出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,如圖9a)所示;同樣擠出量過小也會(huì)導(dǎo)致擠出絲不飽滿影響打印最終質(zhì)量,如圖9d)所示。當(dāng)材料進(jìn)給量為1.766 mm3時(shí),相比其他幾種進(jìn)給量過渡距離較短打印質(zhì)量較好,如圖9b)所示。最后對(duì)不同進(jìn)給量下材料組分發(fā)生過渡時(shí)的材料轉(zhuǎn)變率分析,當(dāng)材料進(jìn)給量為1.766 mm3時(shí)材料轉(zhuǎn)變最快,如圖10b)所示。

圖10 不同進(jìn)給量下的過渡距離和過渡時(shí)材料組分轉(zhuǎn)變率Fig. 10 Transition distance at different feeds and transition rates of material components during transition

3.2 采用新進(jìn)料策略下的過渡距離

當(dāng)材料組分發(fā)生變化時(shí),在過渡階段新擠入的材料會(huì)與混料筒內(nèi)的材料交叉污染使新擠入的材料組分改變,隨著擠入材料不斷增多混料筒內(nèi)之前的材料被排空,材料逐漸過渡到指定的組分。打印了一條材料組分從100%A,0%B采用0∶10的進(jìn)料比過渡到0%A,100%B的蛇形軌跡,采用MATLAB將打印圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖對(duì)材料組分進(jìn)行分析,通過組分B的體積分?jǐn)?shù)變化找到交叉污染時(shí)材料組分的變化規(guī)律,即每當(dāng)材料B進(jìn)2.007 mm3時(shí)組分B的體積分?jǐn)?shù)增加0.099 2%。并以此為基礎(chǔ)提出了一種新的進(jìn)料策略。在整體的打印流程中,由于切片后的模型信息是以點(diǎn)的形式進(jìn)行表示,所以在路徑規(guī)劃時(shí)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的材料信息進(jìn)行判斷。在處理當(dāng)前點(diǎn)時(shí)與下一點(diǎn)的材料組分進(jìn)行比較,對(duì)于組分增加的材料計(jì)算組分差值,并根據(jù)得到的規(guī)律計(jì)算出這種材料的進(jìn)給量輸出生成新型G代碼。在材料組分變化時(shí)先只進(jìn)給材料組分增加的單一材料,使其與混料筒中的殘余材料混合,當(dāng)達(dá)到指定的材料組分時(shí)再按照相應(yīng)的進(jìn)料比例同時(shí)擠入兩種材料進(jìn)行打印。新進(jìn)料策略的判斷流程如圖11所示。由于在整體打印過程中預(yù)先將混料筒充滿,當(dāng)有材料擠入混料筒時(shí)就會(huì)有相應(yīng)體積量的材料從擠出頭擠出,所以這種進(jìn)料方式并不會(huì)影響前一段組分材料的體積。

圖11 優(yōu)化進(jìn)料策略流程Fig. 11 Procedures for optimizing feed strategy

其他參數(shù)不變,采用優(yōu)化后的G代碼打印材料組分從100%A,0%B過渡到90%A,10%B;從90%A,10%B過渡到70%A,30%B;從70%A,30%B過渡到50%A,50%B;從50%A,50%B過渡到30%A,70%B;從30%A,70%B過渡到0%A,100%B。打印圖片及材料組分分析如圖12所示。

圖12 優(yōu)化G代碼后不同材料組分之間過渡打印圖及分析Fig. 12 Printed diagram and analysis of the transition between different material components after optimizing of the G-code

分析各組分材料之間的過渡得到新的過渡距離曲線,如圖13所示。

圖13 采用新策略打印的過渡距離Fig. 13 Transition distance printed with the new strategy

與采用未優(yōu)化G代碼打印的過渡距離曲線(見圖8a))對(duì)比。首先采用新型G代碼打印的過渡距離明顯減小,例如材料組分從100%A,0%B過渡到90%A,10%B,采用新型G代碼打印過渡距離降低了4倍。其次交付階段的距離趨于固定值,不隨材料組分改變值的不同而改變,過渡階段的距離隨著材料組分改變值的增大而增大,進(jìn)而影響過渡距離。最后當(dāng)材料組分改變值相同時(shí)過渡距離趨于定值,例如材料組分改變值為20%時(shí)過渡距離幾乎不變,其誤差不超過一條擠出絲。

最后,材料組分改變值以10%為單位采用新型G代碼分別打印了不同改變值的蛇形軌跡并分析得到過渡距離曲線,如圖14所示。根據(jù)得到的過渡距離曲線在對(duì)功能梯度材料進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí),可根據(jù)材料組分變化值計(jì)算其過渡距離并進(jìn)行偏移補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印。

圖14 不同材料組分變化值的過渡距離Fig. 14 Transition distance for different material component change values

4 結(jié)論

本文針對(duì)材料擠出式3D打印工藝制備功能梯度材料中材料組分改變時(shí)的延遲問題展開研究,得出以下結(jié)論:

1) 通過使用自主研發(fā)的雙材料3D打印機(jī)打印了不同組分材料之間轉(zhuǎn)變的試件,采用MATLAB軟件對(duì)打印圖片分析,探究了材料過渡的規(guī)律并得到了過渡距離曲線。

2) 通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了材料組分變化相同時(shí),材料A、B的不同進(jìn)給量對(duì)過渡距離和打印質(zhì)量的影響,并找到了在保證打印質(zhì)量的前提下使過渡距離最短的進(jìn)給量。

3) 在以上研究基礎(chǔ)上提出了一種新的進(jìn)料策略,并生成了在材料轉(zhuǎn)變時(shí)只進(jìn)給單一材料的新型G代碼,對(duì)不同材料組分之間轉(zhuǎn)變的試樣成功進(jìn)行了打印,縮短了過渡距離驗(yàn)證了進(jìn)料策略的優(yōu)異性。最后,采用新型G代碼打印了以10%為單位的不同材料組分變化值的試件,經(jīng)過分析得到了過渡距離曲線。在功能梯度材料路徑規(guī)劃時(shí)根據(jù)過渡距離曲線可設(shè)定偏移距離對(duì)材料轉(zhuǎn)變時(shí)的延遲進(jìn)行補(bǔ)償。

在未來工作中可以充分考慮混料筒容積、螺桿轉(zhuǎn)速、針頭直徑等因素的影響,建立一種通用的理論模型來確定不同組分材料轉(zhuǎn)變時(shí)過渡距離的大小,繼而避免材料延遲對(duì)整體打印的影響。另外,打印中發(fā)現(xiàn)材料進(jìn)給量為1.766 mm3時(shí)過渡階段的材料轉(zhuǎn)變率最快,針對(duì)這一現(xiàn)象在未來工作中可以繼續(xù)深入研究。