擠出沉積3D打印工藝參數對發射藥尺寸及拉伸強度的影響

周夢蕾,南風強,何衛東,王沫茹,堵平,王彬彬

(南京理工大學 化工學院,江蘇 南京 210094)

0 引言

發射藥目前采用傳統溶劑法,通過模具擠壓成型,主要有粒狀、片狀、管狀、七孔柱狀、十九孔柱狀等結構,形狀相對簡單;隨著對武器裝備遠射程、高威力發展需求,對發射藥的燃燒性能也提出了更高的要求,復雜結構的高漸增性發射藥是提高火炮示壓效率的主要途徑之一[1-3]。3D打印技術是一種以數字文件為基礎、可制造出復雜形狀、與傳統“減材制造”完全不同的新型制造技術[4],為突破發射藥的傳統形狀設計提供了新的技術途徑[5]。在國外,荷蘭應用科學研究院等采用光固化3D打印技術制備出了黑索今(RDX)+丙烯酸酯類發射藥[6-7];在國內,張洪林等[8]設計了適用于3D打印技術的多列環形空槽管形結構整體發射藥;西安近代研究所[9]利用光固化技術初步制備出了由RDX、光敏樹脂黏結劑體系組成的RDX基發射藥。綜上所述,發射藥3D打印現階段主要以光固化技術和結構設計為研究方向,其他類型3D打印技術[10]未在發射藥領域有深入研究。

為了解其他3D打印技術對發射藥成型的影響,促進發射藥3D打印,本文以擠出沉積3D打印技術為中心,對發射藥擠出沉積3D打印成型過程進行理論模型分析,確定影響發射藥的3D打印工藝參數;使用某混合硝酸酯發射藥(ZY發射藥)作為原材料,研究3D打印工藝參數對發射藥尺寸以及拉伸強度的影響,以期對獲取發射藥最優工藝參數提供指導。

1 注射器擠出模型

1.1 成型過程分析

采用擠出沉積3D打印技術打印發射藥。物料會裝入注射器針筒中并由3D打印機擠出;擠出的發射藥材料會在打印平臺上被底板加熱,進而固化成型。因此打印平臺的底板溫度是影響發射藥成型的工藝參數之一。

1.2 發射藥流體控制方程

發射藥在注射器針筒內流動的過程中表現出連續介質的性質,可將其看成是緊密聚集的體系,因此遵循流體力學三大守恒定律。但是,由于擠出段并未進行加熱,只在沉積段進行了加熱,故發射藥擠出段不涉及能量問題。

1)質量守恒方程

式中:ρ為發射藥流體密度;t為時間;vx、vy、vz為發射藥流體在x軸、y軸、z軸方向上的速度矢量。

2)動量守恒方程x軸方向:

式中:gx為發射藥流體重力在x軸方向產生的加速度分量;Rx為x軸分布式阻力;μe為發射藥的有效黏度;Tx為x軸黏性損失項。y軸方向:

式中:gy為發射藥流體重力在y軸方向產生的加速度分量;Ry為分布式阻力;Ty為y軸黏性損失項。z軸方向:

式中:gz為發射藥流體重力在z軸方向產生的加速度分量;Rz為分布式阻力;Tz為z軸黏性損失項。

1.3 柱塞擠出流量建模

圖1所示為注射器擠出模型。圖1中:D為注射器料筒直徑,d為噴嘴內徑,vsp為注射器柱塞的運動速度,vsn為噴嘴出料速度,l為圓形噴嘴長度,2α為注射器錐角。該過程中:

圖1 注射器擠出模型Fig.1 Syringe extrusion model

式中:Qsp為注射器內部的流量;Qsn為擠出針頭處的流量。

已知流量Q=Sv,即流量=面積×速度,故(5)式可以寫成如下形式:

(6)式中,當擠出流量一定時,噴嘴內徑d不變,物料的出料速度也不變。在打印平臺的不同打印速度條件下,物料在平臺上的擠出情況必然會有所不同,不同擠出情況進而會影響發射藥的填充成型,因此打印速度是影響發射藥成型的工藝參數之一。

1.4 柱塞擠出壓力建模

發射藥材料是一種剪切變稀的非牛頓流體,通過錐角2α、最大直徑D、最小直徑d的過渡段時,會因為過渡段直徑變化產生一定的壓力降,該壓力降可由Benbow[11]柱塞式擠壓壓力模型確定。

物料通過整個過渡段噴頭產生的全部壓力降Fst計算公式為

式中:K為稠度系數;vst為過渡段流動速率;n為冪律指數;Q為過渡段流量。

發射藥在長度為l的圓形噴嘴通道中流動所需的壓力Fsn為

因此,注射器柱塞的擠壓力F應大于噴嘴產生的所有壓力降,即

(7)式中影響Fst的參數有速度v和直徑d。同理,(8)式中影響Fsn的參數為速度v和直徑d。綜上所述,噴嘴內徑d是影響發射藥成型的工藝參數之一。

通過以上模型可知,噴嘴內徑、打印速度以及底板溫度3個工藝參數在3D打印過程中對3D打印成型影響較為明顯。因此,以噴嘴內徑、打印速度、底板溫度為研究對象,打印樣品的長、寬、高為尺寸數據,樣品的拉伸強度作為力學性能數據,可以確定以上3種擠出沉積工藝參數對3D打印發射藥成型質量的影響。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

試劑:含有硝化纖維素、RDX以及TiO2的某ZY發射藥,瀘州北方化學工業有限公司生產;丙酮和乙醇均為分析純,國藥化學試劑有限公司生產。

儀器:自研注射擠出3D打印機,南京理工大學生產;數顯游標卡尺,上海九量五金工具有限公司生產;萬能材料試驗機,上海松墩儀器設備有限公司生產。

2.2 樣品制備

利用Pro/ENGINEER三維建模軟件,按照圖2所示尺寸標準制作樣件三維模型,該樣件收縮后的一般尺寸為長49.75 mm、寬11.94 mm、高1.99 mm,最終打印成型實物如圖3所示。

圖2 標準樣件尺寸Fig.2 Standard sample size

圖3 標準樣件實物Fig.3 Standard sample

2.3 單因素實驗

為了確定3D打印工藝參數對樣品尺寸的影響,基于單因素變量實驗,研究打印針頭內徑、打印速度以及底板溫度3個工藝參數對發射藥打印成型質量的影響,各打印參數的范圍參照文獻[12]的研究,具體實驗設計如表1所示。

表1 實驗設計Tab.1 Experimental design

實驗樣品打印完成后,按照游標卡尺的標準操作規范,使用游標卡尺依次測量各打印樣品的長度、寬度和高度,并使用萬能材料試驗機測量各樣品的抗拉強度,確定不同工藝參數條件下樣品的尺寸及拉伸數據。

3 實驗結果與討論

3.1 針頭內徑對打印成型質量的影響

通過控制打印速度和底板溫度工藝參數,將打印速度設置為3 mm/s、底板溫度設置為35℃,以針頭內徑作為實驗的變化因素,在0.33 mm、0.41 mm、0.51 mm、0.60 mm和0.70 mm 5個規格中變化,測量各針頭內徑條件下3D打印標準樣件的長、寬、高尺寸參數以及拉伸強度,得到標準樣件結果如表2所示。

表2 不同針頭內徑條件下的樣品結果Tab.2 3D printed samples under different needle inner diameters

由表2可知:

1)打印噴頭的針頭內徑越大,樣品的實際長度、寬度以及高度尺寸越大:當不同內徑針頭以同一填充速度進行打印填充時,針頭內徑越大,出料口的截面積越大,同一時間的物料出料量就越多,導致在成型制造時打印件內部填充的物料向四周緩慢膨脹堆積,使得打印樣品的長、寬、高同時增加;當針頭內徑為0.7 mm時,長、寬、高尺寸最大,收縮最小。

2)發射藥樣品的抗拉強度也隨著打印噴頭針頭內徑的增大而增長:當針頭內徑增加時,同一路徑上會有更多的物料填充,能夠減小填充路徑之間、層與層之間在成形時出現的空隙等現象,使得層與層之間連接更加緊密;所需打印的層數會隨著針頭內徑增大而減少,較少的層數能夠使沉積物料中的多余溶劑揮發得更快、更多,便于樣品固化;樣品中的溶劑含量減少,拉伸強度增大;當針頭內徑為0.7 mm時,拉伸強度最大。

3.2 打印速度對打印成型質量的影響

通過控制針頭內徑和底板溫度工藝參數,選擇規格為21G的螺口點膠針頭(即內徑為0.51 mm的針頭)作為打印噴頭、底板溫度設定為35℃,以打印速度作為研究對象,使其在2～4 mm/s范圍內間隔0.5 mm/s變化,通過測量3D打印樣品的長、寬、高尺寸參數,研究打印速度對樣品尺寸的影響。測量得到標準樣件的結果如表3所示。

表3 不同打印速度下的樣品結果Tab.3 3D printed samples at different printing speeds

由表3可知:

1)打印速度加快,3D打印樣品的長和寬會隨之增大,而高會隨之降低:打印相同位置時針頭的高速出料情況與低速出料情況相比會減少,并且由于發射藥溶解后的物料具有一定黏性,會在外力作用下被拉伸,因此發射藥打印物料會在針頭作用下被打印噴頭拖拽,使得絲狀發射藥材料的高度直徑不斷減小,最終導致3D打印成型樣品的高度隨著打印速度增大而降低;發射藥物料擠出絲狀高度減小,由于體積不變,則絲狀沉積面積增大,故樣品長度和寬度呈增長趨勢,即打印速度為3 mm/s時,長、寬、高尺寸相對較好,收縮相對較小。

2)發射藥樣品的抗拉強度隨著打印速度的增大而增長:隨著打印速度的增加,從打印噴頭中擠出的具有一定黏度的發射藥線狀材料被打印噴頭拖拽,造成絲線被拉伸;在絲狀材料被拉伸的過程中,發射藥線狀材料中的多余溶劑從拉伸產生的縫隙中快速揮發出來,樣品中的溶劑含量較少;當打印速度為4 mm/s時,拉伸強度最大。

3.3 底板溫度對打印成型質量的影響

通過控制針頭內徑和打印速度工藝參數,選擇規格為21G的螺口點膠針頭(即內徑為0.51 mm的針頭)作為打印噴頭、打印速度設置為3 mm/s,以底板溫度作為研究對象,使其在25～45℃的范圍內間隔5℃變化,通過測量3D打印樣品的長、寬、高尺寸參數,研究底板溫度對樣品尺寸的影響。測量得到標準樣件的結果如表4所示。

表4 不同溫度下的樣品結果Tab.4 3D printed amples at different temperatures

由表4可知:

1)底板溫度升高,打印發射藥樣品的長度和寬度會隨之減小,而高度會隨之增加:使用相同內徑的針頭以相同打印速度進行打印時,針頭出料量是一定的,底板溫度影響物料溶劑揮發進而影響樣品的長、寬、高尺寸;當3D打印實驗的底板溫度較低時,發射藥物料的溫度相對較低,此時發射藥打印物料的黏度較高、流動性能較差,沉積在打印基板上的發射藥向四周流動擴散的范圍較小并且物料中多余溶劑揮發速率也較慢,揮發量不多,物料膨脹現象也不會很明顯;在底板溫度較高情況下,沉積在打印底板上的發射藥材料溫度也會隨之升高,由于材料的溫度升高,材料中的多余溶劑揮發速率變快,揮發量變多,進而導致3D打印發射藥試件的長和寬隨著溫度升高而變小;由于溶劑揮發速率加快,使得發射藥材料的膨脹現象明顯,導致3D打印樣品的高度隨著底板溫度升高而增大,當底板溫度為35℃時,長、寬、高尺寸相對較好,收縮相對較小。

2)當打印底板溫度較低時,溫度升高,打印物料中溶劑揮發效率提高,樣品溶劑含量降低,抗拉伸強度提高;當打印底板溫度在較高范圍升高時,打印噴頭內擠出的發射藥材料沉積到底板上后溫度也處于較高范圍,發射藥材料內的有機溶劑運動更劇烈地向外部揮發,但由于底板溫度升高,打印件外表面的固化速率也加快,因此在打印件深層內部的溶劑揮發時會被外表的固化層阻礙,揮發效率降低,打印件物料膨脹現象明顯,進而導致發射藥樣品的抗拉伸強度在較高底板溫度范圍內抗拉伸強度呈減小趨勢。綜上所述:在25～35℃范圍內,隨著底板溫度的升高,發射藥拉伸力學性能不斷增大;在35～45℃范圍內,隨著底板溫度升高,發射藥拉伸力學性能不斷減小;當底板溫度為35℃時,樣品拉伸強度最大。

4 結論

本文采用擠出沉積3D打印機并以某ZY發射藥為原料對3D打印工藝參數進行研究,在不同3D打印參數下制備了實驗樣品,研究了針頭內徑、打印速度、底板溫度對打印樣品成型質量的影響。得出主要結論如下:

1)在尺寸方面,當針頭內徑為0.7 mm、打印速度為3 mm/s、底板溫度為35℃時,ZY發射藥樣品的尺寸較好。

2)在拉伸強度方面,當針頭內徑為0.7 mm、打印速度為4 mm/s、底板溫度為35℃時,ZY發射藥樣品的拉伸強度較好。