梯度孔隙率熱塑性材料的數(shù)字化成型

王東興，張 強(qiáng)，于建濤，曲維波

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005;2.山東省高校先進(jìn)制造及控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煙臺(tái)大學(xué))，山東 煙臺(tái) 264005)

多孔材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度和良好的隔熱、隔音和聲能吸收性能［1-3］.然而，對于孔隙率均勻的多孔材料，若其孔隙率較高，則吸音效果好，但強(qiáng)度和剛度性能較差;若孔隙率低，則強(qiáng)度和剛度較高，但吸音效果會(huì)受到限制.

梯度孔隙率材料指得是沿著某個(gè)方向材料的孔隙率呈現(xiàn)梯度式的變化的材料，比如說梯度孔隙板，在板的一側(cè)孔隙率較大，沿著板的厚度方向，材料的孔隙率逐漸減少，到板的另一側(cè)時(shí)，孔隙率最小.梯度孔隙材料屬于功能梯度材料［4-6］，因此，兼有低孔隙率材料強(qiáng)度和剛度較高和高孔隙率材料吸音效果較好的優(yōu)點(diǎn)，而且，梯度孔隙率材料對聲波的阻抗沿梯度變化方向呈梯度變化規(guī)律，研究表明，漸變阻抗的多孔材料具有最佳的寬頻吸聲效果［7-8］，在材料與空氣的界面處和材料內(nèi)部不存在材料成分和聲阻的突變，因此，能夠減少聲音的反射和避免產(chǎn)生應(yīng)力集中.

然而，傳統(tǒng)制造工藝無法制造出梯度孔隙率材料，已見到的文獻(xiàn)中只研究過最多由四層不同空隙率材料疊合在一起構(gòu)成的多層多孔材料［9-11］，受層數(shù)的限制，在這種材料的不同層的交界面處還存在著材料成分的突變，不是真正意義上的梯度空隙率材料，因此，梯度孔隙率材料的制造對于材料的研究意義重大.

分層加成制造技術(shù)［12-13］是在計(jì)算機(jī)中將三維CAD模型分割成多個(gè)二維層片，然后在數(shù)控裝置上逐層成形出這些二維層片，并將這些層片結(jié)合在一起，最終成形出三維零件.分層加成制造技術(shù)的這種特性使之能夠被用于制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，當(dāng)然也可以用于梯度孔隙率材料的成形，下面將介紹應(yīng)用分層加成制造技術(shù)制造梯度孔隙率材料的設(shè)備、工藝過程和參數(shù)，并對成形出的梯度孔隙率材料進(jìn)行性能測試.

1 梯度孔隙率材料的數(shù)字化成形方法

1.1 成形裝置

如圖1所示，成形裝置主要由計(jì)算機(jī)、熱塑性材料噴頭、三坐標(biāo)數(shù)控裝置和恒溫臺(tái)組成.計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)對三維CAD模型進(jìn)行分層切片和生成數(shù)控代碼，計(jì)算機(jī)中還插有一塊四軸運(yùn)動(dòng)控制卡，用于實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)數(shù)控裝置的運(yùn)動(dòng)和位置的控制;熱塑性材料噴頭用于將絲狀熱塑性材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)并從噴口中擠出，料絲在一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入噴頭，其速度可以用一個(gè)單軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，以控制材料的擠出速度;三坐標(biāo)數(shù)控裝置用于按數(shù)控代碼規(guī)定的路徑移動(dòng)噴頭，實(shí)現(xiàn)噴頭相對于工作臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的堆積成形;恒溫臺(tái)放在工作臺(tái)上，在其上成形零件，可以使零件處在一個(gè)溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中，以減少成形件的變形.圖2為成形裝置的實(shí)物照片.

圖1 成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖(未畫計(jì)算機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)

1.2 成形方法

成形前的準(zhǔn)備:開啟各系統(tǒng)電源，設(shè)置噴頭加熱室溫度和恒溫臺(tái)溫度目標(biāo)值，數(shù)控裝置各坐標(biāo)軸回零，噴頭移動(dòng)到一個(gè)合適的高度位置上.

當(dāng)噴頭加熱室實(shí)際溫度和恒溫臺(tái)實(shí)際溫度達(dá)到所設(shè)定的目標(biāo)值后，便可開啟噴頭送絲電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使熔融態(tài)材料細(xì)絲從噴嘴中擠出，開始執(zhí)行數(shù)控運(yùn)動(dòng)程序，噴頭沿著事先定義好的路線堆積成形材料，實(shí)現(xiàn)零件的成形.

圖2 成形裝置實(shí)物照片(不包括計(jì)算機(jī))

2 梯度孔隙率材料的成形試驗(yàn)

2.1 試樣的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證梯度孔隙率材料的性能特點(diǎn)，需制作兩塊方形試樣 A和B，尺寸為200 mm×200 mm×8 mm，用于吸聲性能試驗(yàn)，還需制作兩塊條狀試樣 C和D，尺寸為200 mm×10 mm×8 mm，用于抗彎性能測試，材料均為ABS，試樣A和C的孔隙率為33%，試樣B和D的孔隙率沿著厚度方向按梯度規(guī)律變化，從孔隙率為33%開始按線性規(guī)律變化到80%.

2.2 試樣的成形

材料噴頭的噴口直徑為0.4 mm，要制作厚度為8 mm的試樣，需成形20層;成形孔隙率為33%的試樣A和C時(shí)，在每一層中，絲與絲之間的間距 x應(yīng)滿足:(x-0.4)/x=0.33，據(jù)此可算出:x=0.6 mm;成形孔隙率按梯度規(guī)律變化的試樣B和D時(shí)，在最底層，絲與絲之間的間距應(yīng)為0.6 mm;在最上層時(shí)，若要達(dá)到孔隙率為80%，絲與絲之間的間距應(yīng)為2 mm;成形中間某一層時(shí)，絲與絲之間的間距應(yīng)比上一層的間距大(2-0.6)/19≈0.073 mm.

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，恒溫臺(tái)的溫度為180度時(shí)，絲與臺(tái)面的接合比較好;噴頭加熱室的溫度為260度時(shí)，ABS絲能夠良好地融化，出絲速度恒定和均勻;其它參數(shù)包括:送絲驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)頻率為70 Hz，三坐標(biāo)數(shù)控裝置的進(jìn)給速度為25 mm/s，進(jìn)給加速度為20 mm/s2.

按以上參數(shù)設(shè)計(jì)成形機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序，并通過運(yùn)動(dòng)控制卡對成形裝置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)試樣的成形，圖3是所成形出的試樣的照片.

圖3 成形出的試樣的照片

3 試樣測試

3.1 孔隙率測試

圖3中的縱剖面圖片反映了試樣沿厚度方向的孔隙率的變化情況，圖4(a)和(b)分別為試樣B的底面和頂面的照片，試樣A的頂面和底面的照片同圖4(a)，從圖4可以看出，試樣A各層上行間距為0.6 mm，試樣B的底面上行間距為0.6 mm，而頂面上行間距為2 mm.

圖4 試樣B的底面和頂面的照片

3.2 吸聲性能測試

圖5為吸聲性能測試原理，圖中，音頻發(fā)生器發(fā)出的聲波經(jīng)試樣表面反射后，傳入到聲級(jí)計(jì)測頭中，在試樣的后面放置吸聲材料，用于吸收透過試樣后的聲波，以減小透射聲波對實(shí)驗(yàn)的影響.調(diào)節(jié)聲波頻率分別為100、500、1 000、1 500、2 000和2 500 Hz，分別測試兩種試樣的吸聲效果，5次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示.

表1中數(shù)據(jù)反映出兩種情況.第一，試樣B的吸聲效果要優(yōu)于試樣A;第二，不同試樣情況下，聲級(jí)計(jì)讀數(shù)差別不大.第二種情況可能是由于聲波的復(fù)雜的傳播特性和簡單的試驗(yàn)條件所致.

圖5 吸聲性能測試原理

表1 不同聲波頻率和不同試樣情況下聲級(jí)計(jì)讀數(shù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差及均值差值

3.3 試樣的抗彎性能測試

剛度反映的是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，可用使其產(chǎn)生單位變形所需的外力值來衡量.分別用試樣C和D測試兩種材料的剛度，測量原理如圖6所示，圖中所用測微儀為DGB-5型電感測微儀，試樣的剛度定義為加載力與試樣中心點(diǎn)沿加載方向的位移的比值，比剛度定義為試樣的剛度與試樣的質(zhì)量的比值，兩塊試樣的質(zhì)量分別為11.1 g和6.0 g.

圖6 抗彎性能測試原理

加載力-位移曲線如圖7所示，試樣C和D的比剛度均值分別為4.3×105N/(Kg·m)和4.9×105N/(Kg·m)，試樣D的比剛度比試樣C的提高了約13%.

圖7 加載力(F)-位移(B)曲線

4 結(jié)論

1)本項(xiàng)研究采用分層加成制造的原理，通過在三坐標(biāo)數(shù)控裝置上安裝一個(gè)熱塑性材料擠出噴頭，以一定的速度擠出熔融態(tài)的熱塑性材料細(xì)絲，并在數(shù)控裝置的帶動(dòng)下逐層堆積材料，最終成形出梯度孔隙率材料.成形試驗(yàn)證明了這種方法是可行的.

2)對所得到的梯度孔隙率材料試樣進(jìn)行了抗彎和吸聲性能的測試，結(jié)果表明梯度孔隙率材料具有比剛度高和吸聲效果好的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測得的吸聲效果的改善不明顯也是意料之中的，主要原因可能是聲波在傳播過程中路徑不規(guī)律，發(fā)散性比較強(qiáng)，透射的聲波不能夠完全吸收，這說明測試條件還有待于提高.

3)這種方法還具有成形更復(fù)雜內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的材料的能力，如用于成形微穿孔組合吸聲結(jié)構(gòu)或含橢圓柱型空腔的聲學(xué)覆蓋層［14］，若使用的噴口的直徑更小，則可以成形出孔隙更小的梯度空隙率材料.

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