【摘 要】
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金属3D打印技术广泛应用于装备制造、航空航天等领域,近年来得到了快速发展。现有用于制作金属零部件的3D打印技术主要包括选区激光熔化（SLM）、激光近净成形（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）等,上述几种金属3D打印技术均是利用高温（电子束或者激光产生高温）熔化金属材料,存在设备昂贵、加工制造成本高、金属材料种类要求高等不足。为了降低打印设备和打印材料的成本,本课题重点设计一种螺杆挤出技术与熔融
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金属3D打印技术广泛应用于装备制造、航空航天等领域,近年来得到了快速发展。现有用于制作金属零部件的3D打印技术主要包括选区激光熔化（SLM）、激光近净成形（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）等,上述几种金属3D打印技术均是利用高温（电子束或者激光产生高温）熔化金属材料,存在设备昂贵、加工制造成本高、金属材料种类要求高等不足。为了降低打印设备和打印材料的成本,本课题重点设计一种螺杆挤出技术与熔融沉积（Fused Deposition Modeling,FDM）技术相结合的金属3D打印平台,重点研究FDM式螺杆挤出金属3D打印平台及其成型工艺。研究内容主要包括FDM式金属3D打印平台的设计、螺杆的设计及流体仿真分析、铜浆料的制备及打印工艺参数研究和脱脂及烧结工艺研究四部分,主要研究内容与结果如下:（1）根据3D打印的原理开展FDM式螺杆挤出金属3D打印平台的搭建。具体阐述FDM式螺杆挤出金属3D打印机的打印原理,并完成核心部件喷头的结构设计,该结构主要包括螺杆挤出装置及送料装置。完成打印喷头控制系统的设计,针对特定型号的步进电机,绘制步进电机驱动器的驱动原理图,然后进行了喷头步进电机供料挤出指令的解析及转速控制的实现。采用Arduino Uno板作为主控制器,编写了螺杆挤出步进电机和供料步进电机的控制程序并对其进行解析。（2）开展FDM式螺杆挤出金属3D打印平台的核心部件螺杆挤出装置的设计工作。通过螺杆挤出流率公式,分析影响螺杆挤出流率的主要影响参数。然后使用ANSYS Fluent流体仿真软件进行仿真分析挤出流率情况,确定螺杆的尺寸参数（螺杆有效长度为60mm、螺槽宽度为6mm、螺槽深度为2mm、螺杆导程为8mm等）,并针对优化后的螺杆结构及参数进行仿真分析,主要分析螺杆的压力场、速度场、剪切应力场。（3）开展铜浆料的制备及打印工艺参数研究。实验采用的聚乙烯醇粘结剂由聚乙烯醇粉末与去离子水混合制成,二者的质量比为1:9。通过实验验证聚乙烯醇溶液与铜粉质量比为1:12时,打印过程中不易堵塞喷嘴且成型件不易坍塌,能够实现铜浆料的平稳挤出。通过实验研究浆料挤出速度、打印速度、打印层高等工艺参数对成型质量的影响。结果表明,浆料挤出速度为15.63mm/s时,不容易堵头且精度较高;打印速度为15mm/s时,成型件的成型质量较好;层高为0.24mm时,层与层之间连接紧密无塌陷。（4）开展脱脂及烧结工艺研究。通过对打印铜素坯进行热重分析指导设计脱脂工艺,经实验确定最佳的脱脂工艺:以5℃/min的加热速率从室温升温至260℃,在260℃保温30min;再以2℃/min的加热速率升温至600℃,然后保温120min;最后随炉冷却。脱脂用时352min,脱脂率达到了95.9%。根据宏观性能的检测及微观形貌的分析确定最优的烧结工艺为:以5℃/min的升温速率从室温升至1050℃,并保温120min,最后随炉冷却。得到的成型件各项力学性能最佳,此时成型件的抗拉强度为93.48MPa,密度为7.649g/cm~3,硬度为35.94HB。
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