陶瓷漿料微流擠壓成形關(guān)鍵問題研究

周　婧　段國林　盧　林　朱東彬

1.河北工業(yè)大學,天津,3001302.天津電氣科學研究院有限公司,天津,300180

陶瓷漿料微流擠壓成形關(guān)鍵問題研究

周婧1段國林1盧林2朱東彬1

1.河北工業(yè)大學,天津,3001302.天津電氣科學研究院有限公司,天津,300180

利用流體力學理論，針對基于微流擠壓成形的陶瓷漿料擠出過程的關(guān)鍵部件擠壓凹模的流道形狀進行了設計，使用ANSYS軟件對擠壓凹模出口橫截面的流速和流道內(nèi)部壓力場的分布情況進行模擬，分析了四種不同流道形狀擠壓凹模內(nèi)部壓力場和出口流速的分布規(guī)律。研究結(jié)果為解決陶瓷漿料擠壓成形工藝的難點問題提供了理論依據(jù)，具有重要的參考價值。

陶瓷漿料;擠壓成形;擠壓凹模;模擬

0　引言

近幾年陶瓷材料擠壓快速成形技術(shù)的研究發(fā)展迅速，主要集中在擠壓陶瓷漿料的制備技術(shù)，擠壓新工藝的開發(fā)，以及對擠壓過程的理論分析從而指導工藝和設備開發(fā)等方面[1]。

微擠壓快速成形工藝是針對微小尺寸復雜結(jié)構(gòu)陶瓷構(gòu)件成形的一種新興快速成形工藝。經(jīng)過處理的微米納米級陶瓷粉末與黏接劑、分散劑等溶劑按一定比例配備的陶瓷漿料通過擠出口徑通常為200～500 μm的擠壓凹模擠壓成細絲，在三維運動平臺上根據(jù)計算機輸出的模型信息按照規(guī)劃的路徑堆積成形，最后再經(jīng)過燒結(jié)形成堅固的陶瓷構(gòu)件。這種快速成形工藝對擠出漿料的要求很高，漿料必須具有良好的穩(wěn)定性和流變學特性，同時可以令擠出后形成的坯體具有一定保持形狀的能力。微擠壓快速成形工藝過程簡單，材料和設備成本低廉，環(huán)境友好，是陶瓷材料快速成形制作領域的新方向[2-3]。美國康涅狄格大學最先將該技術(shù)應用在水基牙科陶瓷漿料數(shù)字化制造義齒方面,經(jīng)過Leon L. Shaw團隊的理論分析和初步實驗驗證,證實這種基于漿料微擠壓成形原理的快速成形方法具有可行性[4]。劉洪軍等[5]針對該技術(shù)，在水基陶瓷漿料的制備工藝、擠出裝置和擠出工藝方面進行了大量研究。目前國內(nèi)外的研究成果主要集中在陶瓷微擠壓成形的上游研究領域[6],包括適用于此工藝制作的陶瓷漿料的制備及其流變特性的研究,另外對于工藝參數(shù)(如擠出速度、擠壓凹模長度、擠出口尺寸)對陶瓷漿料擠出過程的影響也進行了初步探索，而針對陶瓷漿料精密擠出成形設備以及關(guān)鍵部件的設計尚無相關(guān)報道。

1　擠壓力的形成過程

高固相含量的陶瓷漿料在料筒中經(jīng)過擠壓凸模(活塞)的擠壓致密后經(jīng)擠壓凹模擠出，其擠出過程是一種純壓力驅(qū)動的漿料流動狀態(tài)，也就是通過漿料將力傳遞的過程。料筒內(nèi)的陶瓷漿料受力情況如圖1 所示，在料筒的頂端即陶瓷漿料與擠壓凸模接觸的部分，漿料受到的壓力基本等同于擠壓凸模施加在漿料上的壓力，料筒里的陶瓷漿料在受到擠壓凸模施加的正壓力后，不可避免地向側(cè)面膨脹并變形，因此在擠出過程中，陶瓷漿料會對料筒的筒壁產(chǎn)生一個側(cè)壓力Ps。當陶瓷漿料發(fā)生流動時，由于側(cè)壓力的存在,漿料會和料筒的筒壁產(chǎn)生摩擦力。在料筒的下部，由于擠壓凹模的微孔出口處無外界壓力，在此區(qū)域的陶瓷漿料受到的內(nèi)外壓力差超過其屈服極限時，就會從微孔擠出口處擠出，而此內(nèi)外壓力差實際上就是膏體傳遞到底面的擠出壓力Pd(需考慮筒壁的摩擦損失及漿料內(nèi)摩擦損失)。由于陶瓷漿料與筒壁及擠壓凹模內(nèi)壁產(chǎn)生較大的摩擦阻力，而且陶瓷漿料各組分顆粒間因互相移動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力等，要使高固相含量的陶瓷漿料順利擠出成形，就必須克服這些摩擦阻力，其最終表現(xiàn)為擠出裝置的擠壓凸模對陶瓷漿料產(chǎn)生適宜的擠出壓力，這就是擠出壓力的形成過程[5]。

圖1　擠出料筒內(nèi)受力分析簡圖

Benbow等[3]提出了預測柱塞式擠出高固相含量漿料擠壓壓力的公式,圖2所示為Benbow-Bridgwater公式所使用的物理模型,該式將穩(wěn)定擠出壓力P分為擠入模腔所需壓力P1和模壁剪切力P2兩部分：

P=P1+P2

(1)

(2)

(3)

圖2　Benbow-Bridgwater公式的物理模型

其中,v為穩(wěn)定擠出速度;σ0為初始入?？谇?α為入模口屈服應力速度因子;τ0為初始模壁剪切應力;β為擠壓段模腔剪切應力速度因子;D0為儲料桶直徑；D為擠出成形段直徑；L為擠出成形段長度。σ0和α被認為是獨立于模具幾何形狀及擠出速率的材料常數(shù)，僅與膏體從料筒流入模具的流動狀態(tài)有關(guān),τ0和β則與模具管道截面抵制流動的狀態(tài)有關(guān)。若漿料是非牛頓流體，則將式(1)修正為

(4)

其中,m、n與速度因子α、β相關(guān)。

Wells等[7]的研究表明,黏度會隨著溫度的細微變化而變化,并最終影響擠壓力。他們推導出了基于溫度的Benbow-Bridgwater公式：

(5)

其中,A和B兩個常數(shù)是通過阿倫尼斯模型(η=Aexp(B/(RT)))計算得出的，A是非熱能常數(shù)，B是活化能，R是通用氣體常數(shù),T是絕對溫度；αav是α的平均值。用于擠出成形的高固相含量的陶瓷漿料可以利用Benbow-Bridgwater物理模型對擠壓過程中的擠壓力進行預測,并且可以分析出不同擠壓凹模長度、不同擠壓凹模直徑和不同擠出速度對擠壓力的影響。擠壓力與各種工藝參數(shù)有關(guān)，在使用收斂流道擠出成形時，擠壓力依賴于擠壓凹模流道的幾何形狀，可以采用有限元方法模擬計算擠壓力和各種工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

2　漿料在擠壓凹模內(nèi)的流動分析

成形漿料流率反映的是流經(jīng)擠壓凹模的體積流率、壓力降和材料性能及幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。假塑體和膨脹體都可以用冪定律表示其流變方程。對于管流可寫成

(6)

n<1時屬于假塑體,n>1時屬于膨脹體。由于所討論情況不具有結(jié)構(gòu)性,故阻力分布與牛頓流體無區(qū)別。τ為單位面積上的內(nèi)摩擦應力,p為兩端壓力差，l為流域長度，取任意半徑r的一段液柱來分析,由力平衡可知全管內(nèi)部滿足

pπr2=2πrlτ

(7)

即

為求流速分布,需將式(7)代入式(6)中，即

分離變量得

對其積分可得

計算得

進而可得流量

簡化后得

(8)

此即冪律流體層流的流量與壓降的關(guān)系。

由式(8)可進一步求得斷面平均流速:

(9)

通過式(9)可以計算擠壓凹模出口橫截面的平均流速，得到這一參數(shù)值可以很好地和三維運動平臺有效結(jié)合起來，通過擠出速度和三維運動平臺的運動速度的匹配來控制和調(diào)整打印的時間。

3　擠壓過程關(guān)鍵部件的設計

擠壓凹模是微擠壓快速成形工藝中的關(guān)鍵部件，陶瓷漿料的擠出量和擠出直徑可以通過更換擠壓凹模來調(diào)節(jié)。因此陶瓷漿料微擠壓成形時，漿料的擠出效果、流量、擠出直徑均由擠壓凹模內(nèi)部流道的幾何形狀、孔徑大小與制造精度決定。對于微擠壓成形的擠壓凹模,主要考慮因素是出口孔徑大小和內(nèi)部流道形狀。出口孔徑?jīng)Q定了陶瓷漿料微擠壓成形的直徑，從而影響堆積成形的精度，內(nèi)部流道的形狀決定了擠出的順暢程度，盡量避免滯留區(qū)域的形成。

擠壓凹模的基本功能是擠出成形，保證擠出物的形狀和尺寸滿足要求，而完成這個任務的關(guān)鍵則是擠壓凹模內(nèi)流道形狀的設計。

擠壓凹模的設計主要解決的問題如下：①流道形狀尺寸設計。陶瓷漿料的流道應呈光滑的流線型，流暢且有對稱性,結(jié)構(gòu)要合理，無突變區(qū)，無滯流區(qū)，避免擴張，能夠保證持續(xù)穩(wěn)定的壓縮。②流道截面形狀與擠出物形狀的關(guān)系。由于陶瓷漿料具有一定的斷面收縮率，在不同的壓力和溫度下出口斷面尺寸不同，故應盡可能地使擠壓凹模擠出成形的制品與所要求的尺寸形狀保持一致。③材料的選擇。擠壓凹模尤其是微孔道擠壓凹模內(nèi)部承受的壓力很大,所以一定要選用硬度高、耐磨、耐腐蝕性的材料，最大限度減小摩擦阻力[6]。

完整的擠壓凹模的流道結(jié)構(gòu)可分為過渡段、分流段、平直段、壓縮段和定型段幾部分。過渡段的作用是使從送料機構(gòu)出來的漿料流所包含的周向速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，由紊流轉(zhuǎn)化為層流，起到平穩(wěn)的過渡作用。成形漿料流動性質(zhì)的變化能夠使成形更加穩(wěn)定，從而得到更高成形精度的擠出制品。分流段的目的是防止?jié){料在擠壓凹模的狹小空間內(nèi)大量聚集，對漿料流進行引流，保證流動的平穩(wěn)性，但是對擠出流動的均勻性或者平衡性的影響較小，因此是否需要分流段可視情況而定。平直段的作用是使成形漿料盡可能地保持舒展，平穩(wěn)地流動，減少應力集中，避免物料性狀的改變。壓縮段的作用在于形成較強的收斂流動，非常有利于制備致密和較高機械穩(wěn)定性的制品，同時由于該段的存在使模頭產(chǎn)生背壓也有利于陶瓷漿料的良好塑形。定型段就是擠壓凹模最終的擠出成形功能段，根據(jù)生產(chǎn)的需要可以自行制定定型段微孔道的形狀和尺寸大小，比如圓形、方形等。定型段長度通常按已確定的口模定型段間隙利用經(jīng)驗公式計算，L0為定型段長度,δ為口模定型段間隙，則L0∈[10δ,40δ]。根據(jù)經(jīng)驗公式定型段間隙δ=ρS/1.4L1,其中ρ為材料的密度,S為擠出截面面積,L1為外圍周長。擠壓凹模擠出方向的尺寸盡量取小,目的是縮短漿料在擠壓凹模中經(jīng)過的時間,一般取L0∈[10δ,20δ]。

基于以上原則，設計了四種不同流道形狀的擠壓凹模，圖3是四種流道結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)快速降壓擠壓凹模(b)過渡降壓擠壓凹模

(c)快速釋壓擠壓凹模(d)魚雷式擠壓凹模圖3　四種不同結(jié)構(gòu)的流道形狀示意圖

快速降壓擠壓凹模結(jié)構(gòu)是最傳統(tǒng)、最常見的擠壓凹模，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，料筒中的壓力較大且?guī)缀醪话l(fā)生變化，但擠壓凹模微孔中的壓力在短時間內(nèi)迅速減小，這種直通式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易在管角處形成滯留區(qū)域，時間長了會形成死區(qū)。死區(qū)中的漿料經(jīng)過長時間后會變干脫落，形成顆粒堵塞微擠出口，或者隨漿料擠出影響擠出質(zhì)量。過渡降壓擠壓凹模是一種改進后的結(jié)構(gòu)，彌補了快速降壓擠壓凹模結(jié)構(gòu)的一些缺陷，兩級壓縮使?jié){料受到的擠壓力逐漸加大，避免產(chǎn)生堵塞和液相分離等現(xiàn)象。根據(jù)設計要求,凹模錐角θ不大于60°。由于微孔擠出成形出口處的擠出脹大現(xiàn)象是不可避免的，針對這一問題，對微孔擠壓凹模出口處做了一些改進，設計了快速釋壓擠壓凹模，對出口處的切應力進行一定的緩釋，使?jié){料擠出脹大現(xiàn)象不那么明顯。另外，為了對擠壓凹模的內(nèi)部壓力也進行一定的緩釋，設計了魚雷式擠壓凹模結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的擠壓凹模在引流段設計了一個魚雷形狀的小島，對擠壓凹模入口處的漿料進行分流，從而將入口壓力進行了一定程度的緩解，保證漿料穩(wěn)定的擠出。

4　擠出成形過程的模擬

擠壓凹模內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響陶瓷漿料擠出過程中內(nèi)部流場的變化，對最終的擠出效果也會產(chǎn)生重要影響[8-12]。通過對擠壓凹模內(nèi)部流場進行仿真分析，可以計算出陶瓷漿料通過擠壓凹模的出口流量，為進一步開展義齒牙冠三維成形提供參數(shù)條件。首先要對擠壓凹模相關(guān)參數(shù)進行設定，滿足仿真所需的約束條件，并對擠壓凹模做一些必要的簡化,以便計算和分析。設定參數(shù)見表1。

表1　擠壓凹模相關(guān)參數(shù)設定表

由于擠壓凹模內(nèi)部為軸對稱結(jié)構(gòu)，為了便于使用ANSYS軟件對其進行仿真分析,將擠壓凹模內(nèi)部流場區(qū)域簡化成二維模型來表示整個流道的結(jié)構(gòu)，使用2D FLOTRAN 141單元，并對其進行網(wǎng)格劃分。使用的陶瓷漿料是體積分數(shù)為50%的3mol氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯漿料，材料密度為1285 kg/m3，流變模型選用冪律模型，保持擠出成形的溫度為室溫。設定邊界條件時，擠壓凹模入口壓力為5 MPa，出口處為0，入口處漿料流速為3 mm/s，以1個標準大氣壓為參考壓力，以熱力學溫度0K為參考溫度。采用無壁面滑移邊界條件進行數(shù)值求解。經(jīng)過ANSYS FLOTRAN仿真分析，設計的四種擠壓凹模出口速度流道、內(nèi)部流動情況和壓力分布情況分別如圖4～圖6所示。

圖4模擬的是出口橫截面的速度分布情況。結(jié)果顯示快速降壓、過渡降壓和魚雷式擠壓凹模的出口流速比較均勻且均大于快速釋壓擠壓凹模的出口流速，最大出口流速達到19.01 mm/s，與式(9)計算出的流速非常接近。該速度可以滿足義齒牙冠三維成形的要求，能夠?qū)⑻沾蓾{料均勻、穩(wěn)定地擠出堆積層疊?？紤]到打印的效率，還可以提高出口流速，在保證擠出陶瓷漿料的均勻性和準確性的前提下適當提高入口送料速度或加大入口壓力。另外，快速降壓、過渡降壓和魚雷式擠壓凹模的內(nèi)部最大壓力僅為快速釋壓擠壓凹模的四分之一，可以有效減少對擠壓凹模材料的損傷。綜合比較，快速降壓、過渡降壓和魚雷式擠壓凹模效果要遠勝于快速釋壓擠壓凹模。

(a)快速降壓擠壓凹模(b)過渡降壓擠壓凹模

(c)快速釋壓擠壓凹模(d)魚雷式擠壓凹模圖4　擠壓凹模出口流速圖

圖5模擬的是擠壓凹模流道內(nèi)部速度矢量的分布情況。通過快速降壓與過渡降壓和魚雷式擠壓凹模比較可以明顯看出，在具有較大直徑的料筒向擠壓凹模微孔道過渡的上下兩個直角處存在明顯的滯留區(qū)域。當漿料滯留后形成的顆粒隨新鮮漿料擠出時會導致擠出物表面不光滑、破裂甚至堵塞擠壓凹模的微孔道出口。為了將這種影響減至最小并使陶瓷漿料能夠順利地流過尺寸相差很大的流道，過渡降壓和魚雷式擠壓凹模設計了一個壓縮段，使流道入口區(qū)和出口區(qū)之間存在一個過渡區(qū)域，因此效果明顯好于快速降壓擠壓凹模。

(a)快速降壓擠壓凹模

(b)過渡降壓擠壓凹模

(c)快速釋壓擠壓凹模

(d)魚雷式擠壓凹模圖5　流道內(nèi)部的速度矢量圖

(a)快速降壓擠壓凹模

(b)過渡降壓擠壓凹模

(c)快速釋壓擠壓凹模

(d)魚雷式擠壓凹模圖6　擠壓凹模內(nèi)部壓力圖

圖6是對擠壓凹模內(nèi)部壓力分布情況的模擬。對于過渡降壓和魚雷式擠壓凹模兩種擠壓凹模來說，這兩種流道形狀都具有兩級壓縮段，從而解決了由于管徑突變造成的壓力突然增大的問題,由此可以看出在擠壓凹模的設計中，壓縮段的設計是關(guān)鍵因素。過渡降壓擠壓凹模的出口流速為17.72 mm/s,流道內(nèi)部最大壓力為534.113 Pa，而魚雷式擠壓凹模的出口流速為19.01 mm/s，流道內(nèi)部最大壓力為542.1 Pa,兩者比較,魚雷式擠壓凹模的出口流速和內(nèi)部壓力分布并沒有明顯的優(yōu)越性，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜不便于加工，因此經(jīng)過綜合考慮認為過渡降壓擠壓凹模的流道形狀是最優(yōu)的，這對于后續(xù)擠壓凹模的設計加工具有重要的參考意義。

5　結(jié)語

通過ANSYS軟件模擬的方法判斷出擠壓凹模流道設計的理論最優(yōu)形狀為具有兩級降壓的過渡降壓擠壓凹模，通過對擠壓凹模出口流速的模擬結(jié)果分析和擠壓機擠出實驗所得的出口流速相比較可以得出兩者誤差在12%～21%之間。盡管模擬結(jié)果帶有一定的理想性，比如壁面條件設置為無滑移，而實驗過程由于受到環(huán)境溫度和擠壓凹模材料的影響，漿料在擠壓凹模流道內(nèi)部受到的摩擦力較大或有可能造成堵塞而使得實際測得的結(jié)果略小于模擬結(jié)果，但模擬結(jié)果仍具有重要的指導意義，從而為后續(xù)的研究工作提供了理論依據(jù)。

[1]李媛,高積強.陶瓷材料擠出成型工藝與理論研究進展[J].耐火材料,2004,4:277-280.

Li Yuan,Gao Jiqiang.Development of Process and Theory on Ceramics Pastes Extrusion Moulding[J].Naihuo Cailiao,2004,38(4):277-280.

[2]Handle F.Extrusion in Ceramics[M].Berlin:Springer-Verlag,2009.

[3]Benbow J,Bridgwater J,Paste Flow and Extrusion[M].Oxford:Clarendon Press,1993.[4]Wang Jiwen.Solid Freeform Fabrication of Biological Materials[D].Storrs:Graduate University of Connecticut,2006.[5]劉洪軍，李冬健，劉佳.水基ZrB2膏體的擠出流變行為研究[J].中國陶瓷,2013,49(7):24-27.

Liu Hongjun,Li Dongjian,Liu Jia.Research on Rheological Behavior during Extrusion of Aqueous ZrB2Paste[J].China Ceramics,2013,49(7)：24-27.

[6]Zhu Dongbin,Liang Jinping Qu Yunxia.Functionalized Bio-artifact Fabricated via Selective Slurry Extrusion.Part 2:Fabrication of Ceramic Dental Crown[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2014,14:3703-3706.[7]Wells L J,Nightingale S A,Spinks G M.The Effect of Temperature on the Extrusion Behavior of a Polymer/Ceramic Refractory Paste[J].Journal of Materials Science,2005,40:315-321.

[8]鄭華濱.陶瓷膏體擠出裝置和擠出工藝研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2011.

[9]靳新濤.微孔注塑噴嘴的設計及工藝參數(shù)的優(yōu)化研究[D].長春：吉林大學,2014.

[10]陳從平,董小剛,張濤.非牛頓流體微擠出過程動態(tài)建模與數(shù)值仿真[J].機床與液壓.2012,40(9):108-111.Chen Congping,Dong Xiaogang,Zhang Tao.Dynamic Modeling and Numerical Simulation of the Process for Non-Newtonian Fluid Micro-extrusion[J].Machine Tool & Hydraulics,2012,40(9):108-111.[11]Lee M C,Gupta A.Simultaneous Simulation of Solid Conveying, Melting and Melt Flow between Parallel Plates:an Approximation to the Flow in a Screw Extruder[J].Journal of Reinforced Plastics and Composites,2002,21:1055.

[12]Zhang Daiquan,Chen Guoping.The Numerical Simulation for Extrusion Forming of Magnesium Alloy Pipes[J].Physics Procedia,2012,25:125-129.

(編輯王旻玥)

Research on Several Key Problems of Microflow Extrusion Forming of Ceramic Slurry

Zhou Jing1Duan Guolin1Lu Lin2Zhu Dongbin1

1.Hebei University of Technology,Tianjin,300130 2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co. Ltd.,Tianjin,300180

According to the theory of fluid mechanics,the flow shape of extrusion cavity die was designed,which was key part of ceramic slurry microflow extrusion forming process.Using ANSYS software,the flow velocity of extrusion cavity die export cross section and the distribution of pressure within the flow field were simulated.The internal pressure field and outlet flow velocity distribution of four different flow shape extrusion cavity dies were analyzed.The research provides the theoretical basis to solve the difficult problem of ceramic paste extrusion forming process and has a important reference value.

ceramic slurry;extrusion forming;extrusion cavity die; simulation

2015-07-28

河北省自然科學基金資助項目(F2014202241)

TH122DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.018

周婧，女，1983年生。河北工業(yè)大學機械工程學院博士研究生。主要研究方向為CAD/CAM/RPM、機電一體化成套設備。發(fā)表論文10余篇。段國林(通信作者)，男，1963年生。河北工業(yè)大學機械工程學院教授、博士研究生導師。盧林，男，1982年生。天津電氣科學研究院有限公司國家電控配電設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心工程師。朱東彬，男，1975年生。河北工業(yè)大學機械工程學院副教授。