熔体近场直写喷射监测及其调控系统研究

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熔体近场直写技术是一种由静电纺丝技术改进新兴的高分辨率增材制造技术。在组织工程,微机电系统等领域,熔体近场直写技术技术由于可以在微纳尺度上将超细纤维以预定的轨迹沉积而被广大研究者所开发和改进。目前熔体近场直写技术也像其他的增材制造技术一样向工业化应用前进,在大规模工业生产中,射流连续且不中断是这项技术质量一致性的核心保证,同时由于射流滞后效应的存在,纤维沉积准确性不足也引起学者关注。本文将针对射流连续生成性与纤维沉积轨迹难以预测的问题,构建一套熔体近场直写喷射监控系统。(1)分析直写喷射监控系统的需求,构建熔体近场直写效果在线监测及其调控系统,提出了直写喷射监控系统的总体方案。硬件方面包括高精度移动平台设计,工业高速摄像机、加速电场和光源的元件选配和调试,软件方面包括轨迹预测算法、电压调节控制算法和控制功能,本章将其分为六个模块,分别解释了各个模块的作用。(2)针对直写工艺的连续性需求。先是对泰勒锥成型规律进行探究,然后通过工业相机对泰勒锥的形状大小和射流进行实时监控,并利用YOLO v5算法实现泰勒锥是否成型、射流是否中断的监测机制。在对图像处理后,对泰勒锥的面积提取并进行量化分析。提出一种电压智能调整算法:利用深度学习算法与图像处理算法对喷射图像中的泰勒锥面积进行识别并与标准面积对比,对比结果决定电压调整方向,给解决熔体近场直写中射流容易中断导致器件质量一致性低的难点提供新思路。(3)针对直写工艺的沉积预测需求,分析近场熔体直写沉积过程中轨迹不稳定现象,通过机器视觉获取射流角度等关键特征信息,建立基于滞后长度、运动平台轨迹的沉积路径预测几何模型。并对轨迹预测模型适用范围进行探究,当收集装置速度大于射流稳定速度时,射流存在滞后效应,这时轨迹预测模型适用。能够一定程度上解决直写中沉积轨迹不确定的问题。(4)对系统进行验证实验与分析。发现泰勒锥面积是熔体近场直写可观察的一个重要特征,对泰勒锥面积大小进行量化分析,探究各工艺参数对泰勒锥面积的影响规律,以及泰勒锥大小与纤维直径的匹配关系。验证电压智能调整算法,达到了纺丝直径均匀的要求;验证沉积轨迹预测算法的可行性,将微纳波形结构为预测图形,观察实验结果并与预测结果对比,证明预测算法具有一定的可行性。本论文瞄准如何高速响应、低成本、高可靠性地解决射流中断及沉积轨迹难以预测问题。通过高效图像处理算法检测直写中泰勒锥剖面面积变化,研究射流稳定性与泰勒锥形态的匹配关系,利用深度学习建立熔体近场直写射流中断预警模型,为熔体近场直写技术高可靠批量生产工业化提供理论基础和技术支撑。
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