螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對3D打印擠出性能影響分析

楊 鑫, 王磊磊

河北工程大學(xué), 河北 邯鄲 056038

0 引言

3D打印技術(shù)也被稱為增材制造(additive manufacturing,AM)技術(shù)[1],近年來在陶瓷零部件成型方面的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注,具有廣闊的市場前景。其中,漿料直寫技術(shù)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(dòng)下從噴口擠出,直接沉積“寫”出預(yù)定的形狀和結(jié)構(gòu),可用于打印各種結(jié)構(gòu),特別是復(fù)雜三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),在實(shí)體整體部件、復(fù)雜的多孔支架和復(fù)合材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

對于漿料直寫技術(shù)而言,漿料的擠出設(shè)計(jì)是打印機(jī)的重中之重。目前常見的液態(tài)漿料擠出方案有氣動(dòng)式、柱塞式、螺桿式,其中螺桿式擠出可保證料筒內(nèi)部物料體積保持恒定,在物料擠出的同時(shí),外界不間斷地向料筒內(nèi)部供料。但在實(shí)際工作中,為實(shí)現(xiàn)漿料擠出均勻連續(xù),所用螺桿結(jié)構(gòu)和料筒的配合尤為重要。如果螺桿與料筒結(jié)合不完善,漿料在料筒內(nèi)流動(dòng)后就無法實(shí)現(xiàn)擠出,因此,通過改善螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù),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(jié)構(gòu)參數(shù)螺桿對漿料擠出性能的實(shí)際影響,選用Design-Expert與流體仿真模擬軟件POLYFLOW聯(lián)合工作,對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺桿進(jìn)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(qiáng)大能力,能為高分子材料擠出、混合混煉、吹塑過程中的流動(dòng)、傳熱以及化學(xué)反應(yīng)等問題提供極具參考價(jià)值的模擬結(jié)果[5]。為使螺桿在擠出過程提供均勻穩(wěn)定的擠出力,以漿料的擠出速率為驗(yàn)證螺桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),其決定著3D打印設(shè)備的機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度并影響打印制品的精度。因此,本文主要關(guān)注螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整對擠出速率的影響,并得到最大擠出速率螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 螺桿關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整

根據(jù)螺桿在打印擠出過程中實(shí)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(jié)構(gòu)具有決定性的影響參數(shù)為:螺桿大徑、螺桿導(dǎo)程、螺棱寬度以及螺槽深度。擠出螺桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,通過調(diào)整螺桿的上述相關(guān)參數(shù)從而影響螺桿的拌合過程,改變漿料在流道的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)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(shè)計(jì)進(jìn)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(gè)決定性結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行范圍設(shè)置優(yōu)化作為試驗(yàn)自變量,以POLYFLOW流體仿真的擠出速率結(jié)果作為評價(jià)指標(biāo),利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)多組多因素正交組合試驗(yàn),因素水平編碼與結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平

1.2 漿料流體仿真

為得到多組正交試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo),進(jìn)行如下漿料流體仿真參數(shù)設(shè)置:擠出螺桿在打印工作狀態(tài)下最大旋速60 r/min對應(yīng)狀態(tài)模擬不同螺桿參數(shù)下的流場,建立多組與之對應(yīng)的流體域模型。根據(jù)POLYFLOW軟件的網(wǎng)格重疊技術(shù),可將螺桿螺棱與流體域物理模型重疊區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷,并根據(jù)螺桿位置重新構(gòu)建出螺桿的輪廓,形成相應(yīng)的網(wǎng)格文件,簡化了物理模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分的工作量。完成的流體域的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 流體圖網(wǎng)格劃分

漿料材料設(shè)置:漿料黏度設(shè)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(shù);τ0為初始屈服應(yīng)力;當(dāng)初始應(yīng)力為0時(shí),du/dt為剪切速率(或剪切應(yīng)變率),流體即變?yōu)榕ｎD流體。

漿料擠出模擬流體基礎(chǔ)邊界條件為:設(shè)置入口邊界法向力與切向力為0(自由流動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)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(yàn)的響應(yīng)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(yàn)結(jié)果填入正交試驗(yàn)組內(nèi),利用Design-Expert得到正交試驗(yàn)結(jié)果(見表2)。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)樣本,通過Designs-Expert 12.0軟件得到擠出速率的二次多項(xiàng)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(dǎo)程;C為螺棱寬度;D為螺槽深度。

對29組模擬數(shù)據(jù)值進(jìn)行方差分析,其結(jié)果如表3所示。

表3 打印精度二次多項(xiàng)式模型的方差分析

在運(yùn)用方差分析法分析時(shí),一般認(rèn)為:若F值小于0.05,則認(rèn)定因素對指標(biāo)無顯著影響;若F值在0.01～0.05,則認(rèn)定因素為指標(biāo)的敏感參數(shù),對指標(biāo)有顯著影響;若F值大于0.01,則認(rèn)定因素為指標(biāo)的極敏感參數(shù),對指標(biāo)有極顯著影響。F值表示方差檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量值,F值越大,說明該項(xiàng)影響越顯著。由表3可知,試驗(yàn)因素對擠出速率的影響從大到小依次為螺桿導(dǎo)程、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿大徑。

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

圖3 交互效應(yīng)響應(yīng)曲面

針對打印速率的回歸模型,運(yùn)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(yōu)參數(shù)為:螺桿大徑10.408 mm、螺桿導(dǎo)程10.771 mm、螺棱寬度3.986 mm、螺槽深度0.636 mm。

之后以最優(yōu)參數(shù)對擠出螺桿進(jìn)行制造試驗(yàn),驗(yàn)證仿真優(yōu)化參數(shù)的可靠性,進(jìn)行3次打印對比試驗(yàn)(見表4),實(shí)際漿料擠出穩(wěn)定連續(xù),且速度較快,螺桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對擠出速率有正向提升。此外,發(fā)現(xiàn)仿真值與打印試驗(yàn)擠出速率值的誤差率均不超過5%左右,模擬結(jié)果真實(shí)有效。

表4 最優(yōu)參數(shù)下仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)論

本文研究了3D陶泥打印擠出螺桿的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對漿料擠出性能的影響以及POLYFLOW流體軟件產(chǎn)生的流速分析,確定了最大擠出速率下螺桿結(jié)構(gòu)。螺桿參數(shù)對擠出速率影響從大到小依次為:螺桿導(dǎo)程、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿大徑。擠出螺桿設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)為:螺桿大徑10.408 mm、螺桿導(dǎo)程10.771 mm、螺棱寬度3.986 mm、螺槽深度0.636 mm。