本发明专利技术公开了一种活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法，步骤包括：S1、根据活塞的直径和运动速度，得到喷嘴底部挤出细丝的平均速度；S2、设定表征沉积细丝形状状态的工艺参数，包括归一化喷嘴速度和归一化喷嘴高度；S3、确定材料的挤出膨胀系数和静态接触角；S4、确定沉积细丝的形状状态：S5、根据沉积细丝的形状状态预测沉积细丝的宽度和高度：该活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法考虑了工艺参数对沉积细丝形状状态的影响，能够实现准确有效地预测活塞式直写打印中沉积细丝的形状状态、宽度和高度，对活塞式直写打印过程的分析和控制有重要的指导意义和实用价值。价值。价值。
【技术实现步骤摘要】
一种活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法
[0001]本专利技术涉及增材制造中材料成型分析
，特别涉及一种活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法。
技术介绍
[0002]直写打印按照原理归属于增材制造技术中的材料挤出技术，根据材料挤出的驱动方式直写打印可以分为：活塞式直写打印，螺杆式直写打印，气动式直写打印。螺杆式和气动式直写打印存在着流量受材料流动特性和空气压缩性影响的缺点。与此对比，活塞式直写打印中流量不受材料流动特性和空气压缩性影响，最终的打印质量良好，是最常用的直写打印方式。
[0003]近几年来，为了分析材料特性和工艺参数对活塞式直写打印的材料成型质量的影响，许多学者提出了预测活塞式直写打印沉积细丝宽度的方法。例如，文献(M.Vlasea and E.Toyserkani,"Experimental characterization and numerical modeling of a micro
‑
syringe deposition system for dispensing sacrificial photopolymers on particulate ceramic substrates,"Journal of Materials Processing Technology,vol.213,no.11,pp.1970
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1977,2013/11/01/2013.)通过将沉积细丝的横截面形状简化为椭圆形构建了沉积细丝宽度的模型；文献(J.M.Lee and W.Y.Yeong,"A preliminary model of time
‑
pressure dispensing system for bioprinting based on printing and material parameters,"Virtual and Physical Prototyping,vol.10,no.1,pp.3
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8,2015/01/02 2015.)将沉积细丝的横截面形状简化为半椭圆形，从而预测了沉积细丝的宽度；文献(R.Suntornnond,E.Y.S.Tan,J.An,and C.K.Chua,"A Mathematical Model on the Resolution of Extrusion Bioprinting for the Development of New Bioinks,"(in eng),Materials(Basel),vol.9,no.9,p.756,2016)通过将沉积细丝的横截面积的形状简化为圆形提出了沉积细丝的宽度的模型。
[0004]然而，上述已提出的方法存在着这两个问题：
[0005]1)现有方法均是通过将沉积细丝的横截面形状简化为一个固定的形状获得预测模型，但是实际打印中沉积细丝的横截面形状根据打印参数的变化而发生变化，简单的固定形状假设得到的预测值精度受限；
[0006]2)现有方法均只预测了沉积细丝的宽度，没有考虑高度，但是沉积细丝的高度是影响最终打印零件粗糙度和尺寸精度的重要参数，在直写打印过程分析与控制中沉积细丝的高度也需要被预测。
[0007]因此，为解决上述方法中存在的问题，有必要提出一种考虑工艺参数对沉积细丝形状影响且能同时预测沉积细丝宽度和高度的活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法是很有必要的。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的是提供一种能够体现工艺参数对沉积细丝形状影响，并能同时获得沉积细丝的宽度和高度的活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法。
[0009]为此，本专利技术技术方案如下：
[0010]一种活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法，步骤如下：
[0011]S1、根据活塞的直径D
p
和运动速度v
p
，得到喷嘴底部挤出细丝的平均速度v
e
：v
e
＝(D
p
/d
n
)2v
p
；
[0012]S2、设定表征沉积细丝形状状态的工艺参数，包括：
[0013]归一化喷嘴速度V
*
：V
*
＝v
n
/v
e
，式中，v
n
为喷嘴相对基板在水平方向上的移动速度，v
e
为挤出细丝在喷嘴底部的平均速度；
[0014]归一化喷嘴高度H
*
：H
*
＝h/αd
n
，式中，h为喷嘴的底部到基板的距离，α为挤出膨胀系数，d
n
为喷嘴的内径；
[0015]S3、确定材料的挤出膨胀系数α和静态接触角θ
C
；
[0016]S4、确定沉积细丝的形状状态：
[0017]S401、基于第一分界线公式：和第二分界线公式：绘制以H
*
为横坐标、V
*
为纵坐标做出的H
*
‑
V
*
图；其中，β为D
n
与d
n
的比值，即β＝D
n
/d
n
；
[0018]S402、根据直写打印的参数计算该参数下的归一化喷嘴速度V
*
和归一化喷嘴高度H
*
；
[0019]S403、将步骤S402得到的归一化喷嘴速度V
*
和归一化喷嘴高度H
*
代入步骤S401绘制的H
*
‑
V
*
图中，确定该参数下沉积细丝形状状态的预测结果：
①
在第一分界线以下的V
*
和H
*
的组合使得沉积细丝的形状状态为过挤出；
②
在第一分界线和第二分界线中间的V
*
和H
*
的组合使得沉积细丝的形状状态为挤压挤出；
③
在第二分界线以上的V
*
和H
*
的组合使得沉积细丝的形状状态为自由挤出；
[0020]S5、根据沉积细丝的形状状态预测沉积细丝的宽度和高度：
[0021]①
沉积细丝的形状状态为过挤出，则打印结果无意义；
[0022]②
沉积细丝的形状状态为挤压挤出，则沉积细丝的宽度w
d
和高度h
d
分别为：h
d
＝h；
[0023]③
沉积细丝的形状状态为自由挤出，则沉积细丝的宽度w
d
和高度h
d
分别为：式中，λ＝(θ
C
‑
2sin2θ
C
)/π。
[0024]进一步地，步骤S3的具本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种活塞式直写打印中沉积细丝宽度与高度的预测方法，其特征在于，步骤如下：S1、根据活塞的直径D
p
和运动速度v
p
，得到喷嘴底部挤出细丝的平均速度v
e
：v
e
＝(D
p
/d
n
)2v
p
；S2、设定表征沉积细丝形状状态的工艺参数，包括：归一化喷嘴速度V
*
：V
*
＝v
n
/v
e
，式中，v
n
为喷嘴相对基板在水平方向上的移动速度，v
e
为挤出细丝在喷嘴底部的平均速度；归一化喷嘴高度H
*
：H
*
＝h/αd
n
，式中，h为喷嘴的底部到基板的距离，α为挤出膨胀系数，d
n
为喷嘴的内径；S3、确定材料的挤出膨胀系数α和静态接触角θ
C
；S4、确定沉积细丝的形状状态：S401、基于第一分界线公式：和第二分界线公式：绘制以H
*
为横坐标、V
*
为纵坐标做出的H
*
‑
V
*
图；其中，β为D
n
与d
n
的比值，即β＝D
n
/d
n
；S402、根据直写打印的参数计算该参数下的归一化喷嘴速度V
*
和归一化喷嘴高度H
*
；S403、将步骤S402得到的归一化喷嘴速度V
*
和归一化喷嘴高度H
*
代入步骤S401绘制的H
*<...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡庆中，涂勇强，杨功流，李晶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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