螺桿結構參數對3D打印擠出性能影響分析

楊 鑫, 王磊磊

河北工程大學, 河北 邯鄲 056038

0 引言

3D打印技術也被稱為增材制造(additive manufacturing,AM)技術[1],近年來在陶瓷零部件成型方面的應用越來越受到人們的關注,具有廣闊的市場前景。其中,漿料直寫技術是利用陶瓷粉末、粘接劑及其他材料均勻混合制造的較高粘度陶瓷漿料作為原材料,在外力推動下從噴口擠出,直接沉積“寫”出預定的形狀和結構,可用于打印各種結構,特別是復雜三維點陣結構,在實體整體部件、復雜的多孔支架和復合材料等方面具有廣闊的應用前景[2-4]。

對于漿料直寫技術而言,漿料的擠出設計是打印機的重中之重。目前常見的液態漿料擠出方案有氣動式、柱塞式、螺桿式,其中螺桿式擠出可保證料筒內部物料體積保持恒定,在物料擠出的同時,外界不間斷地向料筒內部供料。但在實際工作中,為實現漿料擠出均勻連續,所用螺桿結構和料筒的配合尤為重要。如果螺桿與料筒結合不完善,漿料在料筒內流動后就無法實現擠出,因此,通過改善螺桿結構參數,完善螺桿與料筒間的配合,能有效提升漿料擠出性能。

本文研究不同結構參數螺桿對漿料擠出性能的實際影響,選用Design-Expert與流體仿真模擬軟件POLYFLOW聯合工作,對不同結構參數螺桿進行仿真分析。POLYFLOW軟件具備處理非牛頓流體與非線性問題的強大能力,能為高分子材料擠出、混合混煉、吹塑過程中的流動、傳熱以及化學反應等問題提供極具參考價值的模擬結果[5]。為使螺桿在擠出過程提供均勻穩定的擠出力,以漿料的擠出速率為驗證螺桿結構優化設計的重要指標,其決定著3D打印設備的機構運行速度并影響打印制品的精度。因此,本文主要關注螺桿結構參數調整對擠出速率的影響,并得到最大擠出速率螺桿結構設計。

1 試驗方案

1.1 螺桿關鍵參數調整

根據螺桿在打印擠出過程中實際情況,在螺桿長度、料筒直徑及出料口直徑不變的情況下,螺桿結構具有決定性的影響參數為:螺桿大徑、螺桿導程、螺棱寬度以及螺槽深度。擠出螺桿結構示意圖如圖1所示,通過調整螺桿的上述相關參數從而影響螺桿的拌合過程,改變漿料在流道的運動狀態,進而影響漿料的最終擠出效果。

單位:mm

考慮3D打印過程中螺桿剛度和制造工藝等因素,本文對擠出螺桿設計進行小型化處理,此螺桿長度為42 mm,料筒直徑為11 mm。對螺桿4個決定性結構參數進行范圍設置優化作為試驗自變量,以POLYFLOW流體仿真的擠出速率結果作為評價指標,利用Design-Expert軟件設計多組多因素正交組合試驗,因素水平編碼與結構參數選擇如表1所示。

表1 正交試驗因素與水平

1.2 漿料流體仿真

為得到多組正交試驗評價指標,進行如下漿料流體仿真參數設置:擠出螺桿在打印工作狀態下最大旋速60 r/min對應狀態模擬不同螺桿參數下的流場,建立多組與之對應的流體域模型。根據POLYFLOW軟件的網格重疊技術,可將螺桿螺棱與流體域物理模型重疊區域進行實時判斷,并根據螺桿位置重新構建出螺桿的輪廓,形成相應的網格文件,簡化了物理模型構建與網格劃分的工作量。完成的流體域的網格劃分如圖2所示。

圖2 流體圖網格劃分

漿料材料設置:漿料黏度設置依照非牛頓型流體中的賓漢流體確定,其流變方程如下。

式中:ηp為塑性黏度系數;τ0為初始屈服應力;當初始應力為0時,du/dt為剪切速率(或剪切應變率),流體即變為牛頓流體。

漿料擠出模擬流體基礎邊界條件為:設置入口邊界法向力與切向力為0(自由流動邊界);出口邊界為法向力與切向力也為0;螺桿接觸邊界跟隨螺桿轉動,轉速為60 r/min;流體與料筒壁面接觸邊界法向速度與切向速度為0。

2 正交試驗結果分析

將POLYFLOW流體仿真得到的出口平均擠出速率作為正交試驗的響應值,以表1中的各種影響因素取值為自變量,將29組仿真試驗結果填入正交試驗組內,利用Design-Expert得到正交試驗結果(見表2)。

表2 正交試驗結果

根據表2的數據樣本,通過Designs-Expert 12.0軟件得到擠出速率的二次多項式回歸模型。

Y=53.28+8.16A+17.09B-10.73C+14.60D+5.60AB-7.08AC+6.98AD+4.95BC+1.48BD-3.41CD-0.584 8A2-4.24B2+0.793 0C2-8.08D2

式中:Y為擠出速率;A為螺桿大徑;B為螺桿導程;C為螺棱寬度;D為螺槽深度。

對29組模擬數據值進行方差分析,其結果如表3所示。

表3 打印精度二次多項式模型的方差分析

在運用方差分析法分析時,一般認為:若F值小于0.05,則認定因素對指標無顯著影響;若F值在0.01～0.05,則認定因素為指標的敏感參數,對指標有顯著影響;若F值大于0.01,則認定因素為指標的極敏感參數,對指標有極顯著影響。F值表示方差檢驗的統計量值,F值越大,說明該項影響越顯著。由表3可知,試驗因素對擠出速率的影響從大到小依次為螺桿導程、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿大徑。

根據回歸模型分析結果,利用Design-Expert軟件繪制各因素交互效應3D響應曲面圖(見圖3)。螺桿各因素對擠出速率的響應曲面見圖3(a),在螺桿大徑由10 mm升為10.8 mm過程中,螺槽深度越大,擠出速率越大;當擠出大徑逐漸減小時,擠出速率隨螺槽深度減小而減慢;螺桿導程與螺棱寬度對擠出速率的的響應曲面見圖3(b),螺棱寬度由1 mm升為4 mm過程中,螺桿導程越大,擠出速率越快;螺桿導程不變時,擠出速率隨螺棱寬度增大而減小。由交互效應分析可知,當螺桿大徑、螺桿導程和螺槽深度增大與螺棱寬度減小時,擠出速率增長顯著。

圖3 交互效應響應曲面

針對打印速率的回歸模型,運用Design-Expert軟件中Optimization功能,以擠出速率最大為條件,求解回歸模型得到的螺桿最優參數為:螺桿大徑10.408 mm、螺桿導程10.771 mm、螺棱寬度3.986 mm、螺槽深度0.636 mm。

之后以最優參數對擠出螺桿進行制造試驗,驗證仿真優化參數的可靠性,進行3次打印對比試驗(見表4),實際漿料擠出穩定連續,且速度較快,螺桿結構優化設計對擠出速率有正向提升。此外,發現仿真值與打印試驗擠出速率值的誤差率均不超過5%左右,模擬結果真實有效。

表4 最優參數下仿真與試驗結果對比

3 結論

本文研究了3D陶泥打印擠出螺桿的關鍵技術參數對漿料擠出性能的影響以及POLYFLOW流體軟件產生的流速分析,確定了最大擠出速率下螺桿結構。螺桿參數對擠出速率影響從大到小依次為:螺桿導程、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿大徑。擠出螺桿設計的最優參數為:螺桿大徑10.408 mm、螺桿導程10.771 mm、螺棱寬度3.986 mm、螺槽深度0.636 mm。