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研究生: 黃裕庭
Huang, Yu-Ting
論文名稱: 壓電噴頭應用於粉末式三維印表機之系統整合研究
System Integration on a Powder Based 3D Printer by Using Piezoelectric Nozzle
指導教授: 賴維祥
Lai, Wei-Hsiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 積層製造系統整合壓電噴頭粉末式三維印表機
外文關鍵詞: Additive Manufacturing, System Integration, Piezoelectric Nozzle, Powder Based 3D Printer
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  • 本研究團隊先前以市售噴墨印表機結合成三維列印機發展出粉末式三維列印機,但市售噴墨印表機屬於熱氣泡式噴墨頭,能噴印的材料有限,本機台使用壓電式噴頭可噴印更多種類的材料。
    本研究成功開發出外觀尺寸610mm(X) x 560mm(Y) x 510mm(Z),最大建構尺寸150mm(X) x 150mm(Y) x 100mm(Z)的粉末式三維列印機,完成其基本性能研究,達到供粉、鋪粉、X-Y-Z三軸的移動、回收粉末。
    本機器使用市面上可取得的工業級壓電式噴頭,透過自主開發程式驅動噴頭噴印,結合到自主設計的三維平台,使用Microchip dsPIC單晶片進行機台的控制,搭配壓電式噴頭的驅動開發板,進行訊號、機構和作動整合達到在三維平台噴印疊加製造出實體,噴頭噴印材料條件為黏度7~11(mPa.s) 、表面張力24~32(mN/m),符合本實驗噴印出UV膠材料的條件。
    以壓電式噴頭為主的三維列印機,噴頭不會在因過熱問題而受損,可提供長時間的列印,多元材料的噴印可同時實現材料噴印成型與黏著劑噴印成型技術,因此在未來三維列印的技術上仍有大量的發展性。
    關鍵詞:積層製造、系統整合、壓電噴頭、粉末式三維印表機

    SUMMARY
    The research team previously developed a three-dimensional powder printing machine by commercially inkjet printer. But the commercially inkjet printer uses thermal bubble inkjet printing, the materials can be sprayed is limited. The machine can print more different materials by using piezoelectric nozzle.
    Powder printing machine is be successfully developed, and completing the research of machine to feed powder, drive motor of X-Y-Z axis, and recovered powder. The size of the 3D printer machine is 610mm x 560mm x 510mmmm^3, with manufacturing size of 150mm x 150mm x 100mmmm^3.
    In this study, through self-development program driven piezoelectric nozzle, and combine with three-dimensional platform. Use microchip dsPIC control the machine, including the lift of Z-platform, move on X-axis, supply powder, control position of printing with a piezoelectric nozzle to create a solid model. The viscosity of condition of printing is 7~11 (mPa•.s), and surface tension of condition of printing is 24~32 (mN/m).
    3D printer by using piezoelectric nozzle will not damage because of overheating on the print head. It can print during a long manufacture time, and realize technologies of material jetting and binder jetting. For this reason, there is a lot of development for 3D print in the future.

    Keywords: Additive Manufacturing, System Integration, Piezoelectric Nozzle, Powder Based 3D Printer

    中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 v 目錄 vi 圖目錄 ix 表目錄 xiii 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 2 1-3 研究規劃 5 第二章 文獻回顧與探討 6 2-1 三維列印七大技術分類與應用 6 2-1-1 光聚合固化成型(VP) 7 2-1-2 材料噴印成型(MJ) 8 2-1-3 黏著劑噴印成型(BJ) 9 2-1-4 材料擠製成型(ME) 10 2-1-5 粉體熔化成型(PBF) 11 2-1-6 薄片疊層製造成型(SL) 12 2-1-7 指向性能量沉積成型(DED) 13 2-2 噴墨印表機技術類型 14 2-2-1 傳統熱氣泡式噴墨技術 14 2-2-2 壓電式噴墨技術 15 2-3 文獻回顧 17 第三章 系統架構與機電規劃 18 3-1 機構設計 18 3-1-1 X軸移動平台 19 3-1-2 Z軸升降平台 21 3-1-3 Y軸噴頭移動平台 24 3-1-4 供粉系統 28 3-1-5 鋪粉系統 30 3-1-6 粉末回收系統 31 3-2 機電系統 33 3-2-1 配電系統規劃 33 3-2-2 壓電式噴頭控制板 35 3-2-3 主控制系統 37 3-2-4 伺服馬達驅動 44 3-2-5 編碼器系統 46 3-2-6 電路板規劃製作 48 3-3 控制流程 51 3-3-1 X軸作動流程 51 3-3-2 Y軸作動流程 54 3-3-3 Z軸作動流程 57 3-3-4 供粉流程 59 3-3-5 人機介面 59 第四章 實驗結果與討論 62 4-1 材料噴印成型技術測試 62 4-1-1 成型實驗 62 4-2 Y軸速度測試 71 4-3 黏著劑噴印成型技術測試 73 4-3-1 UV測試 73 第五章 結論與未來方向 80 5-1 結論 80 5-2 未來工作與方向 81 參考文獻 83

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    [14] 曾百由, dsPIC數位訊號控制器原理與應用,宏友圖書有限公司, 台北市,2005。

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