气动尖笔直写挤压过程分析.pdf

气动尖笔直写挤压过程分析1 王星 ，吴任东 ，刘丰 ，张人佶 1 清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室，北京(100084) E-mail: wurd@ 摘 要：气动尖笔直写技术的原理是利用压缩气体提供动力，使管内的流体材料在压力的作 用下沿芯轴输运，并从芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出，通过芯轴尖端到达制定位置， 成形精度由针尖决定。气动系统具有微动力、高柔性、易控制等优点，可以为尖笔直写提供 近似于静压的压力。在对气动尖笔直写过程瞬态分析的基础上，应用Matlab 的Simulink 工 具箱进行了仿真。仿真结果证明了该系统的启停响应在毫秒级，完全满足直写过程的实时响 应要求。在试验中采用气动尖笔直写技术也得到了高精度的三维支架，从而证明了气动尖笔 直写技术的可行。 关键词：气动；尖笔直写；快速成形 中图分类号： TH16 1. 引 言 复杂三维结构微纳成形一直是组织工程和生物制造科学研究的重点之一，其研究内容包 括成形工艺和材料等。目前快速成形技术是生物制造中首选的工艺方法。快速成形技术以离 散——堆积原理为基础，具有分层制造、逐点堆积和数字模型直接驱动的特点，因此可以制 造复杂形状和结构，并且能够对多种材料同时操作成形具有材料梯度的零件，非常适合于生 [1-4] 物制造的要求 。 使能技术是保证成形精度的关键。可能应用于生物材料微纳成形的使能技术主要包括三 类：基于微孔的喷射技术、基于激光的光刻、光固化和激光引导直写技术和基于针尖的微纳 直写技术。气动尖笔直写技术的原理是利用压缩气体提供动力，使管内的流体材料在压力的 作用下沿芯轴输运，并从芯轴与管底端中心孔之间的间隙流出，通过芯轴尖端到达制定位置。 尖笔直写技术所形成的细丝直径不是由微孔内径决定的，而是针尖决定。 为了保证流体材料从针尖过渡到成形底板，尖笔直写过程应该是一个微流量控制的过 程。由压缩气体构成的低压力系统具微动力、高柔性、易控制的特点，可以为尖笔直写提供 近似于静压的压力，完全满足尖笔直写技术要求。尖笔直写过程中，气动系统实时响应是关 [5-8] 键。所以非常有必要对气动直写过程进行瞬态分析 。 2. 气动挤压喷射系统的流道 图 1 是气动挤压喷射系统的流道示意图。流道由进气管、气室段、料腔段、多孔板段和 喷嘴段组成，为简化理论分析，本章的分析忽略了多孔板段和喷嘴段间的过渡段。 本文研究的喷射过程，是指具有一定压力的气体通过进气管进入气室后推动料腔段材料 经过多孔板段和喷嘴段流动的过程。整个喷射过程包括流动启动和停止的暂态流动阶段和稳 定流动时的稳态流动阶段。本章主要研究暂态流动，即牛顿流体的非定常流动问题。 同时，各段入口和出口处的流量Q ( i=0,1,2,3,4)和压力P (i=0,1,2,3,4) 是本章分析所关注 i i 1 本课题得到国家自然科学基金 基于生物材料的连笔直写成形原理及方法研究）以及教育部博 士点基金（20050003046: 生物高分子材料微滴/微流喷射与受控组装基础研究的资助）。 - 1 - 的对象，推导以上 8 个量在时域上的关系是本文后续分析和实验设计的基础。 至此，喷射过程建模问题归结为，在时域上求取喷射过程进气管入口压力P0和喷嘴流量 R4之间的关系。 3. 气室段充放气过程分析 气室段的充放气过程为变质量的气体热力学过程。由于料腔内充放气过程较快，热量传 递可以忽略，所以假设充放气过程为绝