3D 打印技术现在发展得特别快，在航空、医药、食品等等好多领域都被广泛地使用。这篇文章主要是研究高粘度流体材料的 3D 打印，为了解决高粘度流体材料在 3D 打印时，像喷嘴容易堵住、流体很难成型这些问题，设计了一个利用超声波振动的振子喷头。从理论还有仿真的方面，对超声波作用下的挤出成型过程做了流体分析，还通过实验对高粘度流体材料 3D 打印成型的工艺参数进行了研究。这篇论文主要做了这些工作：首先，分析了高粘度流体材料在国内外的研究情况，比较了现在主要的 3D 打印成型技术，最后选择用超声波振动作用下的挤出成型技术来实现高粘度流体材料的 3D 打印。根据功率超声振动加工技术，着重研究了超声波换能器和变幅杆的设计原理，设计出一个频率是 30KHz 的超声振子喷头，然后用有限元分析软件 ANSYS WorkBench 对喷头做了模态分析和谐响应分析，发现它的第 25 阶模态振型是纵向振动，而且变幅杆的小端位移最大，这是符合设计要求的。

CFD仿真软件 Fluent 对超声振子喷头里流体的流动情况进行了模拟分析，通过动网格和用户自定义函数（UDF）的方法，把超声振动的边界条件加到壁面上。对比分析了不同的超声波频率、振幅、振动方向，还有不同的入口气压对高粘度流体流动的相图和流速有什么影响。结果是，振幅越大，流体的流速就越快，但是流体的相图会变得更发散，这样就会影响成型的精度；频率越大，对流体流速的影响不是特别大，不过流体的相图会更集中，能提高成型的精度。另外，纵向振动的超声波和横向振动相比，流体流出来的对称性更好，流速也更大。所以在保证高粘度流体能够顺利流出来的情况下，应该选择振幅小、频率高的纵向振动的超声波，同时采用合适的入口气压挤出，这样成型的精度是最好的。

3D打印机平台和控制系统进行了设计，采用了龙门式的主体结构和气压挤出的方式。对基于 Marlin 固件的 3D 打印机控制系统进行了优化，重点修改了处理快速移动（G0）和可控移动（G1）部分的代码，利用继电器的原理，让 3D 打印机控制系统和超声波振动系统能够一起协同工作。通过实验研究了超声波振动参数、3D 打印参数、挤出参数这些工艺参数对高粘度流体材料挤出成型的精度和表面质量有什么影响。实验现象显示，对于固含量是 70%的陶瓷浆料，在振幅百分比 P = 30%的超声波振动下，打印层高在 0.5mm - 0.8mm 之间，挤出气压大概是 0.2MPa 的时候，成型的效果是最好的。最后，结合研究内容和国内外高粘度流体材料 3D 打印的研究现状，文章觉得还有很多地方需要提高和进一步研究。比如说，高粘度流体材料现在用的是固含量 70%的陶瓷浆料，还应该准备不同固含量的陶瓷浆料来做对比实验，而且固含量和粘度之间的关系也需要再深入探究。另外，现在挤出成型的零件只是陶瓷坯体，还需要后续的上釉处理和高温烧结才能变成陶瓷制品。除了陶瓷浆料，还应该研究其他的高粘度流体材料，像复合树脂等等，这样能让设计的超声振子喷头有更广泛的适用性。虽然这次设计的超声振子喷头是基于 30KHz 的超声波振动，但通过 Fluent 仿真分析发现，频率更高的话成型效果会更好。下一步可以考虑设计 40KHz 的超声振子喷头，而且频率越高，整个喷头的尺寸会相对更小，在 3D 打印过程中快速移动的时候就更方便。在实验探究的时候，超声振子喷头因为高频振动，如果工作时间长了，喷头变幅杆的小端会发热，温度太高的话喷头里流体的粘度等性质就会改变，影响流体的流动。这次虽然用了风扇给喷头散热，但后续还可以研究温度对成型的影响。