3D打印技术被认为是推动第三次工业革命中制造业发展的重要技术。液滴喷射快速成型技术是近年发展起来的一种全新的3D打印技术,被广泛应用于生物医学制造、三维微结构制造、微电子行业、微型航天器、特种设备制作等领域。现有的喷射成型装置主要针对于低粘度石蜡、低熔点金属及合金材料、树脂、高分子聚合物的喷射,对于高粘度液体喷射的研究,则仅限于常温下处于流动状态的胶粘剂。本文结合科技部科技型技术创新基金项目(NO:12C26212201364)和国家自然科学基金项目(NO:51475198)的研究内容,通过分析熔融液体形成喷射的机理,建立杠杆放大系统的运动模型,并通过设计隔热层和散热装置,克服压电陶瓷不能在高温环境下工作的缺陷,提出了一种用于高粘度熔融液体的压电喷射打印方法,为3D打印领域提供了一种新的工艺技术和方法。本文主要进行了以下研究工作:(1)熔融液体喷射过程的理论分析和流场仿真首先建立了影响液滴喷射所需要的惯性力与熔融液体粘性力和表面张力的数学模型;分析了阀杆冲击式液滴喷射技术的工作过程和喷射机理,建立了阀杆撞击喷头时熔融液体在喷孔内流动速度的数学模型,讨论了熔融液体喷射时的速度与阀杆的运动速度、阀杆和喷头的结构参数等之间的关系;同时将喷射出的熔融液滴体积分为两部分进行分别的讨论,并建立了单次喷射时熔融液滴体积的数学模型;利用Fluent进行流场仿真,探讨了在阀杆撞击喷头过程中,不同时刻下喷头内熔融液体的压力云图和速度云图;通过控制变量法分别分析了阀杆运动行程、阀杆运动速度、阀杆半径、喷孔直径、喷孔长度、喷头锥角以及熔融液体的粘度等因素对喷孔内熔融液体压力和速度的影响规律,为熔融液体喷射打印装置的结构设计和实验分析提供理论指导。(2)微位移放大系统的模型分析描述了熔融液体喷射装置的结构组成和工作原理,建立了杠杆放大系统的受力模型,并利用Ansys Workbench对不同杠杆的强度进行了分析,并提出相关的优化办法;建立杠杆放大系统的运动模型并推导出运动方程,确定了喷射打印装置的主要结构参数,利用Matlab对杠杆放大系统的运动方程进行求解分析,讨论了在不同的复位弹簧刚度和预紧力下,阀杆的最大位移和相应的上行、下行运动时间,并得出杠杆放大系统的最高工作频率。当驱动电压为130V时,阀杆的最大位移为292.68μm,向下运动时间为0.504ms,向上运动时间为0.542ms。(3)熔融液体喷射打印装置的热力学分析和实验利用Ansys Workbench分析了压电堆叠温度升高的原因,其热量一部分来自于喷头加热器和储液腔加热器所传递过来的热量,另一部分来自于压电叠堆工作时所产生的热量;设计并探讨分析了隔热装置和散热装置的工作机理,利用Ansys Workbench分析了压电叠堆在喷射打印装置的极限频率下的工作温度;随后,在样机上测试分析了隔热装置和散热装置的隔热性能和散热性能。当工作频率为400Hz,冷却气流气压为0.02Mpa,压电叠堆高电压为120V,低电压为0V,储液腔加热温度为80℃,喷头加热器温度为180℃时,压电叠堆的温度为112℃。(4)熔融液滴喷射打印实验分析搭建阀杆运动状态测试台,利用激光测微仪测试了阀杆的运动曲线图,并讨论了不同电压压差下阀杆的运动速度和行程,以及不同的电压上升时间对应的阀杆运动速度;通过实验验证了驱动电压、阀杆运动速度、阀杆直径、喷头结构参数以及供料气压等因素对熔融液滴喷射的影响;最后,在喷射打印整机测试平台上,通过计算机上示教软件设置不同的运动轨迹,完成了喷射打印模型制作。当采用阀杆直径为0.8mm,喷头锥角为90°,电压压差为95V,喷头直径50μm,电压上升时间50μs,电压下降时间400μs,供料气压0.05MPa,低电压维持时间0.8ms,储液腔和喷头的加热温度为80℃和120℃时,对熔融聚氨酯液体进行喷射,所喷射出的液滴直径为275μm,通过层层堆积将液滴沉积为3D的薄壁模型,得到的模型壁厚为0.3mm。本文结合了压电学、流体力学、流体动力学、流场仿真、机械运动学、热力学等相关理论对高粘度熔液的压电喷射机理进行了讨论,提出了一种高粘度熔液的压电喷射打印工艺技术和方法,研究工作为熔融液体喷射打印技术提供了理论和实验基础。