青島理工大學：PDMS/SiC功能梯度復合材料3D打印主動混合噴頭結構設計與工藝參數優化
時間：2023-03-15 10:26 來源：青島理工大學機械 作者：admin 閱讀：次
功能梯度復合材料是指材料中的組分從一端到另一端呈現連續變化或準連續變化的材料，在組織和骨骼結構工程支架、光學器件、飛機高溫下陶瓷金屬隔熱罩、可拉伸天線和軟機器人等領域有著廣泛的應用。增材制造是空間內逐點、逐行或逐層打印的1種工藝，可以打印獨特、復雜的形狀。
通過3D打印工藝制備功能梯度復合材料，主要包括多噴頭打印和單噴頭打印。Skylar⁃Scott等利用多噴頭打印黏彈性墨水制備梯度結構，宋銀寶等利用多噴頭打印PDMS/SiC功能梯度復合材料，多噴頭打印需提前配制不同濃度的材料并灌入多個打印噴頭中，制造過程中需打印噴頭之間相互配合并頻繁切換。單噴頭打印包括被動混合打印和主動混合打印2種制備方式。被動混合（靜態混合）打印利用特殊的通道幾何形式反復分割、拉伸、扭曲，增進流體之間的融合。Idaszek等和Zhou等利用被動混合打印制備了低黏度水凝膠復合材料。被動混合打印方法能夠滿足低黏度流體材料的混合，若流體材料的黏度不斷增大，將出現混合不均勻等問題，嚴重影響材料的混合及使用性能。針對較高黏度材料，通過主動混合進行打印，利用槳葉、螺桿的攪拌作用，可以有效改善混合效果并提高工作效率。Ren等利用主動混合打印，使用較高黏度的異氰酸酯（紅、藍兩色）材料，制備了具有梯度結構的功能材料。關于高黏度復合材料的混合效率及效果有待進一步提高。
PDMS溶液具有黏度高、易加工成形、化學性質穩定、無毒等特點，應用范圍廣泛，尤其在微流控、生物醫療等方面；SiC粉末具有無毒、溶解度高、價格便宜等特點，常用作耐火、耐磨材料；PDMS和SiC混合液是典型的高黏度復合材料。本文以PDMS和SiC混合物為例，提出了1種用于打印高黏度功能梯度復合材料的雙向四螺旋螺桿結構主動混合噴頭，探究結構參數和工藝參數對混合效果的影響規律。
噴頭裝置與仿真流程（節選）
主動混合噴頭裝置
主動混合噴頭打印裝置由伺服電機、傳動軸、聯軸器、螺桿、混料腔、柱塞泵（1、2）、儲料筒（1、2）、打印平臺、入口（1、2）、打印噴頭（出口）等部件構成，如圖1所示。主動混合裝置工作時，電機通過聯軸器、傳動軸，將扭矩傳遞給螺桿。柱塞泵推動材料，分別從左右兩端的入口擠入，經螺桿充分攪拌混合后，從打印噴頭擠出。
混合時2種材料從兩側入口流入，經混料腔內螺桿充分攪拌混合后流出，核心部件可簡化為混料腔、螺桿、出口、入口。其中2個入口直徑相同，入口直徑為2 mm，出口直徑為0.5 mm。對核心部件進行建模，將其導入workbench的Fluid Flow（Fluent）中，進行流體域的抽取。將模型簡化后導入mesh模塊，打開捕獲臨近度，調整臨近間隙因數，此步驟可提高網格質量。在模擬過程中流體域相對較小，且流動情況較復雜，因此不考慮邊界層，采用網格加密的方式來達到目的，最后生成整體網格。
求解設置
求解設置是將物理模型轉化為數學模型，對該過程中的材料屬性、邊界條件、網格交界面、求解方法、運行計算并對結果進行后處理。設置仿真參數時需考慮重力，設置重力加速度值為-9.81。在選擇黏性模型時，由于流體流動過程屬于復雜幾何流動問題，且Realizable型k⁃epsilon模型具有很好的收斂速率和相對較低的內存要求，因此選擇Realizable型k⁃epsilon湍流模型。部件運動方式選擇單參考系模型，因其功能齊全，對于勻速運動只需要設置運動部件速度和壁面速度。計算量較小，且效率高，可以精確描述運動結果。設置時間步數、時間步長、最大迭代步數，初始化之后，進行仿真計算。
結構參數對混合效果的影響
通過流體仿真分析確定主動混合噴頭螺桿結構，進一步探究該結構長度、間隙等結構參數對混合效果的影響。其中，轉速為60 r/min，入口速度為1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。
2.1不同螺桿結構對混合效果的影響
4種常用微尺度混合結構及其網格如圖2所示。a為單螺旋結構、b為單向雙螺旋結構、c為單向四螺旋結構、d為雙向錯位雙螺旋結構。其中，螺桿長度為16 mm，螺桿與腔體的單側間隙為0.3 mm。根據已有的截面形狀和螺旋線數，提出并設計了1種雙向四螺旋螺桿結構（e）。
分別對5類螺旋結構進行仿真，得出混合云圖，如圖3所示，其中a為單螺旋結構、b為單向雙螺旋結構、c為單向四螺旋結構、d為雙向錯位雙螺旋結構、e為雙向四螺旋結構。其中，縱截面可表示整體混合效果，靠近出口處位置最能反映最終混合效果，因此取每種結構的縱截面與靠近出口處橫截面進行觀察。
通過分析對比圖3中縱截面云圖中的單、雙向結構，可看出雙向結構的混合效果普遍優于單向結構，且雙向結構混合均勻所需長度要少1~2個螺距。在混合均勻的前提下，螺桿越短，腔體體積越小，混合效率越高。雙向結構（d與e）之間進行比較后者混合更為均勻，雙向四螺旋結構在整個螺桿長度內流體被切割重組次數更多，混合更為均勻，因此選定雙向四螺旋結構。
2.2不同螺桿長度對混合效果的影響
螺桿長度是影響混合效果的1個主要因素。為探究不同螺桿長度對混合效果的影響，分別選取8、12、16 mm長的螺桿進行仿真分析，如圖4所示，其中螺距為4 mm，螺桿與腔體的單側間隙為0.4 mm。對比不同長度螺桿在4 mm處橫截面混合效果，螺桿總長度越長，混合效果越好，通過分析其內部受力可知，在相同螺桿結構下，螺桿長度越長腔體阻力越大，內部流體流動狀態越復雜，混合效果越好。總長8 mm螺桿在末端混合不均勻，總長12 mm與16 mm螺桿末端混合較為均勻。為同時滿足混合均勻及快速響應，需要盡可能減小的腔體尺寸，選定螺桿長度為12 mm。
2.3模擬油吸附脫氯條件的優化
螺桿與腔體的間隙會對材料的混合效果與腔體體積產生影響。腔體內徑與螺桿最大外徑單側間隙用φ表示，φ的最大值不宜過大，否則流體材料將會從間隙直接流出，影響混合效果，因此，取間隙分別為0.2 、0.4、0.6、0.8 mm進行探究，分析云圖如圖5所示。通過對比圖5可知，4種不同間隙的混合效果中0.2 mm較為均勻，0.4、0.6、0.8 mm較差。因此，選定螺桿與腔體內壁的間隙為0.2 mm時，混合效率高且腔體體積較小。
在探究主動混合噴頭螺桿結構對混合性能影響規律中，對不同螺桿形狀、不同螺桿長度、不同間隙等因素進行分析，選定雙向四螺旋螺桿結構，并確定螺桿長度為12 mm、間隙為0.2 mm。
工藝參數對混合效果的影響
確定主動混合噴頭的螺桿結構參數后，需進一步探究轉速、入口速度等工藝參數對混合效果的影響規律，以及在不同材料配比下的混合是否均勻。
3.1轉速對混合效果的影響
轉速（即攪拌速度）是影響混合效果的1個主要因素。轉速過慢，混合達不到效果；轉速過快，對螺桿強度、電機功率等要求更高。為合理選取轉速值，取0、30、60、90、120 r/min不同轉速，如圖6所示，對混合效果進行仿真分析探究，其中入口速率1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。根據圖6縱截面的混合云圖可得，轉速越高混合效果越好；當轉速為0 r/min時，混合效果較差。在30 r/min轉速下，主動混合優勢顯現，混合效率大幅度提升。當轉速≥60 r/min時，已均勻混合，因此實際打印中轉速應不低于60 r/min。螺桿轉速越快，其所受扭矩越大，對螺桿強度要求越高，此外高轉速螺桿因受較大阻力而摩擦產生熱量，影響PDMS性能，為避免上述問題，綜合考慮選擇螺桿的轉速為60 r/min。
入口速度是影響混合效果的另一個主要因素，在實際模型中柱塞泵推動料筒擠出材料，仿真模擬中采用速度入口、壓力出口的分析方式，入口速度決定流體在混合腔內停留的時間及混合效率。分別為入口速度為0.5、1、2、4 mm/s時的混合云圖，如圖7所示，其中兩入口材料體積比為1/1。分析圖7可以得出，入口速度越慢，混合效果越好。入口速度越慢，流體在腔體內停留時間增加，流體被切割重組的次數也隨之增加。若入口速度低，打印速度也隨之降低，打印時間增加。因此，需要在滿足混合效果的前提下盡可能提高入口速度。綜合考慮，選擇入口速度為1 mm/s。
在主動混合過程中，為確保單位時間內打印的擠出量相同，兩入口流量之和需為定值，若入口1處流量增加（或減少），入口2處流量則需要相應減少（或增加），即兩入口流量值呈負相關。當總流量值一定時，不同材料配比下的混合效果是否滿足打印要求，需要進一步探究。
前文探究2種材料入口比例相同下的混合效果，即材料1（100 %PDMS）和材料2（50 %PDMS+50 %SiC混合液）各占總體積50 %。現探究材料1體積分數為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %體積分數下觀察仿真結果，分別觀察縱截面云圖、橫截面云圖、各混合比的標準色譜，如圖8所示。其中，在不同材料配比下，混合均勻后的濃度不同，云圖也將呈現不同顏色。通過圖8觀察到各材料配比下的混合橫截面云圖，均可混合均勻，證明雙向四螺旋螺桿結構在此結構參數與工藝參數下，可以混合不同比例的材料，即可以在較大材料濃度范圍內進行有效混合。
螺桿結構實物圖如圖9所示。將PDMS和固化劑按10/1質量比完全混合，將混合后的PDMS分成2份，1份作為材料1留用，另一份和SiC按1/1質量比完全混合作為材料2，將2份材料放入真空干燥箱，真空抽取30 min后，將材料灌入柱塞泵中備用。
使用Solidwork繪制圖形，保存成stl格式，導入Simplify 3D中進行切片處理，設置打印周期0.5 mm、噴頭移動速度10 mm/s、噴頭擠出速度1 mm/s后開始打印。打印功能梯度樣件如圖10所示，樣件打印方向為從左到右，材料擠出過程中材料1體積分數逐漸增加，分別為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %，通過數碼顯微鏡觀察到結構中不同組分SiC顆粒分布均勻，驗證了該結構能夠實現復合材料的有效混合。
（1）通過仿真分析對比了多種螺桿結構的混合效果，提出了1種雙向四螺旋螺桿結構主動混合噴頭，可有效混合PDMS/SiC高黏度復合材料；基于流體仿真分析了螺桿長度、螺桿與腔體內徑間隙等結構參數對混合效果的影響，得出1組有效提高混合效果的結構參數：螺桿長度為12 mm、螺桿與腔體間隙為0.2 mm；對混合過程中轉速、材料入口速度等工藝參數進行了優化，確定了轉速為60 r/min、入口速度為1 mm/s等打印參數，同時仿真分析了該主動混合噴頭針對不同體積配比下的復合材料均可混合均勻。
（2）通過制備樣件，驗證了雙向四螺旋螺桿結構結構能夠實現PDMS/SiC功能梯度復合材料的有效混合。
通過3D打印工藝制備功能梯度復合材料，主要包括多噴頭打印和單噴頭打印。Skylar⁃Scott等利用多噴頭打印黏彈性墨水制備梯度結構，宋銀寶等利用多噴頭打印PDMS/SiC功能梯度復合材料，多噴頭打印需提前配制不同濃度的材料并灌入多個打印噴頭中，制造過程中需打印噴頭之間相互配合并頻繁切換。單噴頭打印包括被動混合打印和主動混合打印2種制備方式。被動混合（靜態混合）打印利用特殊的通道幾何形式反復分割、拉伸、扭曲，增進流體之間的融合。Idaszek等和Zhou等利用被動混合打印制備了低黏度水凝膠復合材料。被動混合打印方法能夠滿足低黏度流體材料的混合，若流體材料的黏度不斷增大，將出現混合不均勻等問題，嚴重影響材料的混合及使用性能。針對較高黏度材料，通過主動混合進行打印，利用槳葉、螺桿的攪拌作用，可以有效改善混合效果并提高工作效率。Ren等利用主動混合打印，使用較高黏度的異氰酸酯（紅、藍兩色）材料，制備了具有梯度結構的功能材料。關于高黏度復合材料的混合效率及效果有待進一步提高。
PDMS溶液具有黏度高、易加工成形、化學性質穩定、無毒等特點，應用范圍廣泛，尤其在微流控、生物醫療等方面；SiC粉末具有無毒、溶解度高、價格便宜等特點，常用作耐火、耐磨材料；PDMS和SiC混合液是典型的高黏度復合材料。本文以PDMS和SiC混合物為例，提出了1種用于打印高黏度功能梯度復合材料的雙向四螺旋螺桿結構主動混合噴頭，探究結構參數和工藝參數對混合效果的影響規律。
噴頭裝置與仿真流程（節選）
主動混合噴頭裝置
主動混合噴頭打印裝置由伺服電機、傳動軸、聯軸器、螺桿、混料腔、柱塞泵（1、2）、儲料筒（1、2）、打印平臺、入口（1、2）、打印噴頭（出口）等部件構成，如圖1所示。主動混合裝置工作時，電機通過聯軸器、傳動軸，將扭矩傳遞給螺桿。柱塞泵推動材料，分別從左右兩端的入口擠入，經螺桿充分攪拌混合后，從打印噴頭擠出。
圖1 主動混合噴頭裝置
建模與網格劃分混合時2種材料從兩側入口流入，經混料腔內螺桿充分攪拌混合后流出，核心部件可簡化為混料腔、螺桿、出口、入口。其中2個入口直徑相同，入口直徑為2 mm，出口直徑為0.5 mm。對核心部件進行建模，將其導入workbench的Fluid Flow（Fluent）中，進行流體域的抽取。將模型簡化后導入mesh模塊，打開捕獲臨近度，調整臨近間隙因數，此步驟可提高網格質量。在模擬過程中流體域相對較小，且流動情況較復雜，因此不考慮邊界層，采用網格加密的方式來達到目的，最后生成整體網格。
求解設置
求解設置是將物理模型轉化為數學模型，對該過程中的材料屬性、邊界條件、網格交界面、求解方法、運行計算并對結果進行后處理。設置仿真參數時需考慮重力，設置重力加速度值為-9.81。在選擇黏性模型時，由于流體流動過程屬于復雜幾何流動問題，且Realizable型k⁃epsilon模型具有很好的收斂速率和相對較低的內存要求，因此選擇Realizable型k⁃epsilon湍流模型。部件運動方式選擇單參考系模型，因其功能齊全，對于勻速運動只需要設置運動部件速度和壁面速度。計算量較小，且效率高，可以精確描述運動結果。設置時間步數、時間步長、最大迭代步數，初始化之后，進行仿真計算。
結構參數對混合效果的影響
通過流體仿真分析確定主動混合噴頭螺桿結構，進一步探究該結構長度、間隙等結構參數對混合效果的影響。其中，轉速為60 r/min，入口速度為1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。
2.1不同螺桿結構對混合效果的影響
4種常用微尺度混合結構及其網格如圖2所示。a為單螺旋結構、b為單向雙螺旋結構、c為單向四螺旋結構、d為雙向錯位雙螺旋結構。其中，螺桿長度為16 mm，螺桿與腔體的單側間隙為0.3 mm。根據已有的截面形狀和螺旋線數，提出并設計了1種雙向四螺旋螺桿結構（e）。
圖2 螺桿結構及網格
分別對5類螺旋結構進行仿真，得出混合云圖，如圖3所示，其中a為單螺旋結構、b為單向雙螺旋結構、c為單向四螺旋結構、d為雙向錯位雙螺旋結構、e為雙向四螺旋結構。其中，縱截面可表示整體混合效果，靠近出口處位置最能反映最終混合效果，因此取每種結構的縱截面與靠近出口處橫截面進行觀察。
圖3 各類螺桿縱截面、橫截面界面密度混合云圖
通過分析對比圖3中縱截面云圖中的單、雙向結構，可看出雙向結構的混合效果普遍優于單向結構，且雙向結構混合均勻所需長度要少1~2個螺距。在混合均勻的前提下，螺桿越短，腔體體積越小，混合效率越高。雙向結構（d與e）之間進行比較后者混合更為均勻，雙向四螺旋結構在整個螺桿長度內流體被切割重組次數更多，混合更為均勻，因此選定雙向四螺旋結構。
2.2不同螺桿長度對混合效果的影響
螺桿長度是影響混合效果的1個主要因素。為探究不同螺桿長度對混合效果的影響，分別選取8、12、16 mm長的螺桿進行仿真分析，如圖4所示，其中螺距為4 mm，螺桿與腔體的單側間隙為0.4 mm。對比不同長度螺桿在4 mm處橫截面混合效果，螺桿總長度越長，混合效果越好，通過分析其內部受力可知，在相同螺桿結構下，螺桿長度越長腔體阻力越大，內部流體流動狀態越復雜，混合效果越好。總長8 mm螺桿在末端混合不均勻，總長12 mm與16 mm螺桿末端混合較為均勻。為同時滿足混合均勻及快速響應，需要盡可能減小的腔體尺寸，選定螺桿長度為12 mm。
圖4 不同螺桿長度下的界面密度混合云圖
2.3模擬油吸附脫氯條件的優化
螺桿與腔體的間隙會對材料的混合效果與腔體體積產生影響。腔體內徑與螺桿最大外徑單側間隙用φ表示，φ的最大值不宜過大，否則流體材料將會從間隙直接流出，影響混合效果，因此，取間隙分別為0.2 、0.4、0.6、0.8 mm進行探究，分析云圖如圖5所示。通過對比圖5可知，4種不同間隙的混合效果中0.2 mm較為均勻，0.4、0.6、0.8 mm較差。因此，選定螺桿與腔體內壁的間隙為0.2 mm時，混合效率高且腔體體積較小。
圖5 不同間隙下的界面密度混合云圖
在探究主動混合噴頭螺桿結構對混合性能影響規律中，對不同螺桿形狀、不同螺桿長度、不同間隙等因素進行分析，選定雙向四螺旋螺桿結構，并確定螺桿長度為12 mm、間隙為0.2 mm。
工藝參數對混合效果的影響
確定主動混合噴頭的螺桿結構參數后，需進一步探究轉速、入口速度等工藝參數對混合效果的影響規律，以及在不同材料配比下的混合是否均勻。
3.1轉速對混合效果的影響
轉速（即攪拌速度）是影響混合效果的1個主要因素。轉速過慢，混合達不到效果；轉速過快，對螺桿強度、電機功率等要求更高。為合理選取轉速值，取0、30、60、90、120 r/min不同轉速，如圖6所示，對混合效果進行仿真分析探究，其中入口速率1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。根據圖6縱截面的混合云圖可得，轉速越高混合效果越好；當轉速為0 r/min時，混合效果較差。在30 r/min轉速下，主動混合優勢顯現，混合效率大幅度提升。當轉速≥60 r/min時，已均勻混合，因此實際打印中轉速應不低于60 r/min。螺桿轉速越快，其所受扭矩越大，對螺桿強度要求越高，此外高轉速螺桿因受較大阻力而摩擦產生熱量，影響PDMS性能，為避免上述問題，綜合考慮選擇螺桿的轉速為60 r/min。
圖6 不同轉速下的界面密度混合云圖
3.2入口速度對混合效果的影響入口速度是影響混合效果的另一個主要因素，在實際模型中柱塞泵推動料筒擠出材料，仿真模擬中采用速度入口、壓力出口的分析方式，入口速度決定流體在混合腔內停留的時間及混合效率。分別為入口速度為0.5、1、2、4 mm/s時的混合云圖，如圖7所示，其中兩入口材料體積比為1/1。分析圖7可以得出，入口速度越慢，混合效果越好。入口速度越慢，流體在腔體內停留時間增加，流體被切割重組的次數也隨之增加。若入口速度低，打印速度也隨之降低，打印時間增加。因此，需要在滿足混合效果的前提下盡可能提高入口速度。綜合考慮，選擇入口速度為1 mm/s。
圖7 不同入口速度下的界面密度混合云圖
3.3不同材料配比下的混合效果在主動混合過程中，為確保單位時間內打印的擠出量相同，兩入口流量之和需為定值，若入口1處流量增加（或減少），入口2處流量則需要相應減少（或增加），即兩入口流量值呈負相關。當總流量值一定時，不同材料配比下的混合效果是否滿足打印要求，需要進一步探究。
前文探究2種材料入口比例相同下的混合效果，即材料1（100 %PDMS）和材料2（50 %PDMS+50 %SiC混合液）各占總體積50 %。現探究材料1體積分數為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %體積分數下觀察仿真結果，分別觀察縱截面云圖、橫截面云圖、各混合比的標準色譜，如圖8所示。其中，在不同材料配比下，混合均勻后的濃度不同，云圖也將呈現不同顏色。通過圖8觀察到各材料配比下的混合橫截面云圖，均可混合均勻，證明雙向四螺旋螺桿結構在此結構參數與工藝參數下，可以混合不同比例的材料，即可以在較大材料濃度范圍內進行有效混合。
圖8 不同材料配比下的界面密度混合云圖及標準色譜
試驗驗證螺桿結構實物圖如圖9所示。將PDMS和固化劑按10/1質量比完全混合，將混合后的PDMS分成2份，1份作為材料1留用，另一份和SiC按1/1質量比完全混合作為材料2，將2份材料放入真空干燥箱，真空抽取30 min后，將材料灌入柱塞泵中備用。
圖9 螺桿結構實物照片
使用Solidwork繪制圖形，保存成stl格式，導入Simplify 3D中進行切片處理，設置打印周期0.5 mm、噴頭移動速度10 mm/s、噴頭擠出速度1 mm/s后開始打印。打印功能梯度樣件如圖10所示，樣件打印方向為從左到右，材料擠出過程中材料1體積分數逐漸增加，分別為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %，通過數碼顯微鏡觀察到結構中不同組分SiC顆粒分布均勻，驗證了該結構能夠實現復合材料的有效混合。
圖10 打印樣件及其微觀形貌
結論（1）通過仿真分析對比了多種螺桿結構的混合效果，提出了1種雙向四螺旋螺桿結構主動混合噴頭，可有效混合PDMS/SiC高黏度復合材料；基于流體仿真分析了螺桿長度、螺桿與腔體內徑間隙等結構參數對混合效果的影響，得出1組有效提高混合效果的結構參數：螺桿長度為12 mm、螺桿與腔體間隙為0.2 mm；對混合過程中轉速、材料入口速度等工藝參數進行了優化，確定了轉速為60 r/min、入口速度為1 mm/s等打印參數，同時仿真分析了該主動混合噴頭針對不同體積配比下的復合材料均可混合均勻。
（2）通過制備樣件，驗證了雙向四螺旋螺桿結構結構能夠實現PDMS/SiC功能梯度復合材料的有效混合。
(責任編輯：admin)
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