含能材料3D打印系統(tǒng)及控制技術(shù)研究

韓瑞鑫，陶 澤，曾鵬飛，郝永平

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) 遼寧先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點實驗室，遼寧 沈陽 110159；3.沈陽理工大學(xué) 兵器科學(xué)與技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

含能材料3D打印系統(tǒng)及控制技術(shù)研究

韓瑞鑫1，2，陶 澤1，2，曾鵬飛1，2，郝永平2，3

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學(xué) 遼寧先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點實驗室，遼寧 沈陽 110159；3.沈陽理工大學(xué) 兵器科學(xué)與技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

針對含能材料液體3D打印的特點，搭建含能材料增材制造系統(tǒng)，設(shè)計了可根據(jù)需要變換噴出直徑的噴頭，并采用新型的氣壓方式控制含能材料的擠出速度，使氣壓大小與噴頭直徑相配合.該方法能有效保證含能材料打印的安全性.針對打印線不容易測量問題，提出基于視覺圖像處理的打印線寬度測量方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了乳化炸藥類似物的打印試驗，打印的模型各層黏結(jié)良好且基本符合形狀要求，該系統(tǒng)用于液體增材制造可行.

3D打??；含能材料；氣路控制

增材制造的前身是快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)[1].分層制造法的形成以及立體激光快速成型裝置的出現(xiàn)為各種原材料、各種快速成型裝置的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ).

目前，火炸藥增材制造領(lǐng)域的主要研究方向在于含能油墨配制、傳爆網(wǎng)絡(luò)打印等[2].2003年，許迪將快速成型技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)芯片的研究，首次按照光造型(Stereo Lithography Appearance,SLA)成型原理，設(shè)計組裝了硬件平臺[3].2006年，王建研究了基于噴墨的快速成型技術(shù)[4].2012年，張曉婷制備了含能材料油墨，并采用噴墨打印裝置在基底上噴墨打印了成型模[5].2015年，王景龍按照3DP快速成型原理，利用3D運(yùn)動平臺和紫外光固化光源組裝了3DP打印系統(tǒng)[6].

Fletcher R A等采用含高能炸藥或擬高能炸藥的生物降解聚合物進(jìn)行噴墨打印研究，論證了噴墨打印的可行性[7].Ihnen A C等將高分子溶劑和經(jīng)過細(xì)化的納米級環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)混合, 進(jìn)行了含能油墨的制備工藝研究，并用制得的含能油墨材料打印出含有納米級RDX的圖形[8].

1 含能油墨增材制造系統(tǒng)的搭建

1.1 增材制造系統(tǒng)工作原理

增材制造系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 增材制造系統(tǒng)框圖

增材制造系統(tǒng)工作原理為：通過三維軟件對要打印的產(chǎn)品建模，將建好的模型保存為STL文件格式；由模型處理程序(本研究采用cura切片軟件)對繪制的三維模型進(jìn)行分層，生成運(yùn)動指令，由運(yùn)動控制程序讀取指令并控制運(yùn)動平臺的x,y,z三軸的運(yùn)動；同時氣路控制系統(tǒng)提供液體從噴頭擠出的動力，并且對其進(jìn)行壓力控制.

1.2 噴頭設(shè)計

1.2.1 壓電式噴頭

基于壓電技術(shù)的噴頭有兩種：一種是“按需給墨型”(droplet-on-demand)噴頭；一種是連續(xù)噴頭.根據(jù)壓電技術(shù)原理，兩種噴頭在工作時都需要施加電壓脈沖，而最終打印的材料為含能材料，因此使用壓電式噴頭存在極大的危險性.

1.2.2 熱氣泡式噴頭

20世紀(jì)80年代初，HP公司和CANON公司分別開始研究熱氣泡噴射技術(shù)[9].其工作原理為：噴頭上方有液體腔，液體腔上方有加熱器，電流通入加熱器即可對液體加熱，使液體腔內(nèi)靠近加熱器的液體溫度迅速升高汽化而形成液滴.關(guān)閉電流，氣泡消失，液體得到補(bǔ)充.但是，熱氣泡式噴頭以含能材料為原料打印時，加熱產(chǎn)生氣泡過程中很可能會引燃或引爆含能材料.

綜上原因，本研究擬設(shè)計用氣壓提供動力源的針頭式噴頭，進(jìn)行含能材料的噴墨打印.該噴頭零件及組裝如圖2所示.

圖2 液體打印噴頭零件及組裝示意圖

噴頭由打印液體輸入口、輸出口及針頭固定裝置組成.輸出口可根據(jù)打印需要安裝不同型號即不同內(nèi)徑的打印針頭.固定裝置用來固定針頭，防止針頭因壓力較大而脫落.

1.3 氣路控制設(shè)計

以空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣作為液體噴出的動力源，用氣路控制模塊對壓力進(jìn)行實時控制，給儲液器內(nèi)部供壓，使含能材料從打印針頭均勻流出.該供壓裝置能安全控制供壓的開關(guān).其氣路工作原理如圖3所示.氣路元件包括過濾減壓閥、電氣比例閥、電磁換向閥、調(diào)速閥、真空發(fā)生器和微型氣體壓力傳感器.

L1—過濾減壓閥；L2—電氣比例閥；S—微型氣體壓力傳感器，與電氣比例閥配合，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)控制；Z—真空發(fā)生器；F—調(diào)速閥；V1、V2—電磁換向閥.圖3 氣路原理圖

氣路的控制原理為：采用數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理模塊獲取上位機(jī)發(fā)出的指令信息，通過信號調(diào)理模塊控制電磁閥，同時采集氣體壓力傳感器的壓力信息，并根據(jù)這些信息，通過信號調(diào)理模塊調(diào)節(jié)電氣比例閥.氣路控制流程如圖4所示.

圖4 氣路控制流程

真空發(fā)生器為氣路系統(tǒng)的真空源.其主要性能參數(shù)包括吸入口壓力、真空度、響應(yīng)時間和吸入流量.真空發(fā)生器的作用是防止系統(tǒng)打印結(jié)束時產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象.產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象的主要因數(shù)是響應(yīng)時間.打印系統(tǒng)的響應(yīng)時間是指從換向閥響應(yīng)到氣路產(chǎn)生使噴頭出口液體有回流趨勢的真空度所需要的時間.換向閥響應(yīng)后氣路內(nèi)真空度與響應(yīng)時間的關(guān)系曲線如圖5所示.

圖5 真空度與響應(yīng)時間的關(guān)系曲線

從圖4可知，當(dāng)真空腔內(nèi)真空度為65%時，噴頭出口處液體有回流趨勢，所需時間為T；真空度達(dá)到92%所需時間為T1=3T.

咱應(yīng)時間為：

(1)

式中：V——真空發(fā)生器到儲液罐的配管容積；

Q——真空發(fā)生器的平均吸入流量Q1和配管的平均吸入流量Q2中小者[10].

真空發(fā)生器的平均吸入流量為：

Q1=Cq·Qe

(2)

式中：Qe——真空發(fā)生器的最大吸入流量；

Cq=1/2-1/3.

配管的平均吸入流量為：

Q2=Cq×1.11S

(3)

式中：S——配管中有效截面的面積.

經(jīng)計算，響應(yīng)時間T=0.062s.這一響應(yīng)時間可以滿足防止發(fā)生拖尾現(xiàn)象的打印要求.

2 打印試驗

2.1 打印材料制備

本研究選用的乳化炸藥類似物打印材料由NaNO3、S-80、液蠟、石蠟和水按一定比例配制而成，為一定濃度和黏度的類似乳化炸藥液體.其配比如表1所示.

表1 乳化炸藥類似物配比 wt%

硝酸鈉與水按1.5∶1的質(zhì)量比例混合后放在80 ℃的水浴鍋中保溫30 min，使硝酸鈉充分溶于水.將S-80、液蠟、石蠟按表1所示比例混合，裝入三口瓶中，在加熱狀態(tài)下使用攪拌器以600 r/min的速度攪拌10 min，硝酸鈉溶液充分溶解后，邊攪拌邊從側(cè)口將其倒入上述裝有部分混合液的三口瓶中，然后用攪拌器從中間口以1 100 r/min的速度攪拌5 min，最終得到的乳狀黏稠液體即試驗需要的含能油墨類似物.

2.2 打印線寬測量

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)直線的輪廓提取及測量

在編寫的gcode命令文件中，噴頭打印時運(yùn)動速度的指令為G1 F1800，即速度為1 800 mm/min,用規(guī)格為18G(內(nèi)徑為0.84 mm)的針頭，在0.2 MPa的壓力下打印一條短直線，測量該條件下打印線的寬度.

打印出的直線是乳狀材料，而且粘貼在平臺上，不容易直接測量.因此，本研究采用非接觸測量法，用CDD工業(yè)相機(jī)及輪廓提取程序分別對打印線和標(biāo)準(zhǔn)寬度的直線，采用Canny算法[11]提取輪廓，再用JRulerPro像素尺測量各輪廓的像素值，以測得打印線寬度.打印線和標(biāo)準(zhǔn)直線的輪廓提取與測量如圖6所示.

測量原理是根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)直線寬度對應(yīng)的尺子像素值，換算出打印線對應(yīng)像素值所代表的實際線寬.本次測量所用的標(biāo)準(zhǔn)直線寬度為0.7 mm，打印線與標(biāo)準(zhǔn)直線對應(yīng)的像素分別為49和41.由此可計算線寬d.

(4)

2.2.2 不同針頭及壓力下打印線寬的測量

如同直線的打印及測量，在同樣的噴頭運(yùn)動速度下，可測量出不同內(nèi)徑的針頭在不同壓力下打印出的直線寬度(表2).

2.3 噴頭擠出速度計算

本次試驗的噴頭、儲液罐及簡易連接如圖7所示.

單位時間內(nèi)液體流出的體積為：

(5)

噴頭擠出液體的速度為：

(6)

式中：H1——打印初始的液體高度； H2——打印結(jié)束的液體高度； t——打印所用時間； R——儲液罐內(nèi)徑； D——噴頭直徑.

在不同加載壓力條件下，測量不同型號針頭時噴頭液體擠出的速度，最終繪制出圖8所示的液體打印時噴頭擠出速度——壓力曲線.

圖6 打印線和標(biāo)準(zhǔn)直線的輪廓提取及測量

針頭規(guī)格壓力/MPa線寬/mm18G0．20．8618G0．30．9418G0．40．9916G0．21．2616G0．31．4516G0．41．59

圖7 液體輸送的簡易結(jié)構(gòu)

圖8 液體打印時噴頭擠出速度——壓力曲線

從圖8可以看出：相同壓力下針頭的內(nèi)徑越大，液體擠出的速度就越大；同一型號針頭加載壓力越大，液體擠出的速度也越大.

分析可知：相同的噴頭擠出速度及壓力時針頭內(nèi)徑越大，打印出直線寬度就越大；相同針頭內(nèi)徑時，壓力越大則打印出直線寬度越大；當(dāng)氣壓大于0.7 MPa時，氣管與儲液罐及噴頭接口處容易漏氣；針頭尺寸越大，擠出則越容易，擠出量越大，線寬越大，打印相同模型所耗時間就越少；針頭尺寸越小，線寬則越小，打印耗時越多，打印精度越高，但相同黏度液體所需要的供給壓力也就越大，從而對設(shè)備的要求越高.

2.4 乳化炸藥類似物打印效果

用Solidworks軟件畫出一個長為100mm、寬為60mm、高為0.3mm的薄片，將建好的模型保存為STL格式，再用cura切片軟件生成gcode文件.將gcode命令文件導(dǎo)入打印機(jī)，用規(guī)格為18G(內(nèi)徑為0.84mm)的針頭，在0.2MPa的壓力下打印.3層打印的效果如圖9所示.

圖9 多層(3層)打印效果

由打印試驗可知，以含能油墨液體為耗材的打印，在一定程度上可以得到符合所建立模型的打印實體，但精度特別是打印體邊緣的精度不是很高，需要進(jìn)一步對設(shè)備或工藝進(jìn)行改進(jìn).

3 結(jié)束語

(1)3D打印以液體(如乳化炸藥類似物)為耗材打印的模型基本符合建模的模型形狀，打印多層時各層之間也黏結(jié)良好，雖然表面精度不是很高，但在很大程度上與模型一致.這驗證了以液體為原材料三維打印的可行性.

(2)含能油墨液體增材制造的打印程序應(yīng)根據(jù)實際需求進(jìn)一步改進(jìn)，提高氣路及液體輸送部分的承壓能力，以便進(jìn)行更小內(nèi)徑針頭、更高黏度液體的打印，得到更高精度的打印件.可根據(jù)實際應(yīng)用，采用多針頭同時成型打印，以打印不同組分的含能材料，并提高打印效率.

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[2] 張金勇.異形結(jié)構(gòu)傳爆藥裝藥工藝研究[D].太原：中北大學(xué)，2006.

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Study on 3D Printing System and Control Technology of Energetic Materials

HAN Rui-xin1,2,TAO Ze1,2, ZENG Peng-fei1,2,HAO Yong-ping2,3

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159，China;2.Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology and Equipment, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China;3.The Center of Weapons Science and Technology Research,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China)

According to the features of the 3D liquid printing with energetic materials, this paper sets up an additive manufacturing system of energetic materials, designed the nozzle which can be changed according to the needs, and used pneumatic control to control the extrusion speed of energetic material.By controlling the air pressure size and to match the nozzle diameter,this method can effectively ensure the safety of the printing of energetic materials. Aiming at the problem that print line is difficult to measure, this paper put forward the method based on visual image processing proposing to measure the wire diameter which can effectively measure the width of printed lines. Besides,conducted a printing experiment of the emulsion explosive analogues. The model layers of print out bond well and basically conform to the model shape. Indicate that the liquid printing is feasible.

3D printing；energetic materials；pneumatic control

2017-04-21

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201102182)

韓瑞鑫(1990-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向為含能材料3D打印.

1006-3269(2017)02-0024-06

TH443

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.006