氣壓與螺桿擠出復(fù)合型陶瓷無模直寫系統(tǒng)開發(fā)*

劉文強(qiáng)，萬 熠*，宋清華，王繼來，張承瑞，劉戰(zhàn)強(qiáng)

(1.山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

直寫成型技術(shù)是一種制備復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的新方法，通過直寫成型技術(shù)可制備多孔木堆結(jié)構(gòu)等三維陶瓷骨架，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物組織工程支架、先進(jìn)陶瓷和復(fù)合材料等設(shè)計(jì)和制備。以流體狀態(tài)進(jìn)行層層沉積打印的直寫成型技術(shù)，主要類型有：自動(dòng)注漿成型、噴射打印成型、熱熔打印成型和微細(xì)直寫成型[1]。直寫成型為實(shí)體空間填充、高縱橫比薄壁和無支撐的懸跨結(jié)構(gòu)等復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

陶瓷無模直寫成型技術(shù)由美國CESARANO等提出。目前，研究者們針對不同體系漿料的制備和直寫成型設(shè)備的發(fā)展等領(lǐng)域展開了一系列研究[2]。LEWIS等[3]率先提出了用水基膠體漿料來制備三維功能陶瓷，此種漿料的優(yōu)勢在于黏彈性可以在多個(gè)數(shù)量級范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，并成型有圖案和跨距的線條；SMAY等最早以聚醚酰亞胺(PEI)包覆的直徑為1.17 μm的單分散SiO2微球?yàn)樵?，將其分散在去離子水中制備懸浮液，固相含量為46%的SiO2懸浮液在其pH值調(diào)節(jié)到某一特殊位置時(shí)完成了流體向凝膠的轉(zhuǎn)變；RAO等人[4]開發(fā)出了具備不同截面的擠出噴頭，成功制備了多種尺寸線條截面為六邊形的堆積結(jié)構(gòu)。

直寫成型技術(shù)首先由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)生成三維結(jié)構(gòu)，然后利用計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)生成噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)控制流體直寫噴頭的精確運(yùn)動(dòng)，生成特征線形流體；同時(shí)X-Y軸在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線形流體在打印平臺上的沉積成型，完成第一層沉積后，Z軸上升一定高度，再進(jìn)行第二層沉積成型。如此往復(fù)，通過疊加的方式，生成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)[5]。

其中，高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷流體具有良好的粘彈性和假塑性，可以保證沉積后的材料形態(tài)。流體中的固相含量φ越高，三維結(jié)構(gòu)的搭建以及后續(xù)的干燥、燒結(jié)等環(huán)節(jié)越順利[6]。因此在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)盡量提高漿料的固相含量。但是，目前傳統(tǒng)的直寫成型工藝對于高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷流體直寫存在問題，在高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的流體成型過程中，存在較大的成型應(yīng)力和成型缺陷，會影響最終陶瓷胚體與陶瓷材料構(gòu)件的本性[7]。

本研究方案在線形直寫成型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新型氣壓與螺桿擠出復(fù)合型噴頭，利用氣壓推力將陶瓷流體推送至噴頭處，噴頭內(nèi)部的螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體向噴頭處流動(dòng)，控制輸送來的流體是否擠出，與此同時(shí)，噴頭內(nèi)部的螺桿還起到對流體的攪拌作用。

1 高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷流體流變特性分析

根據(jù)流體在剪切應(yīng)力作用下的反應(yīng)，同時(shí)考慮剪切應(yīng)力和應(yīng)變的比值關(guān)系，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體在受力時(shí)，剪切應(yīng)力和應(yīng)變的比值是恒定的，即它的粘性是常數(shù)。而選用的陶瓷流體為非牛頓流體，對于固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上的陶瓷流體，其流變特性對擠出效果有很大的影響。

非牛頓流體的流變特性曲線是非線性的或者不通過原點(diǎn)的，它的粘性在給定的溫度和壓力作用下不是恒定的。非牛頓流體的流動(dòng)條件與運(yùn)動(dòng)時(shí)間、剪切應(yīng)變和流體幾何學(xué)有關(guān)。根據(jù)上述因素，可將流體分為：非時(shí)變流體、時(shí)變流體和黏滯的彈性流體，通常實(shí)際的流體為兩種或者所有這3種流體的組合[8]。

陶瓷流體在螺桿擠出套筒內(nèi)的流動(dòng)為非常復(fù)雜的三維流動(dòng)。在研究時(shí)，可通過分析其簡化后的模型定義它的特性。取出螺桿內(nèi)微元流體進(jìn)行分析。流體在流道內(nèi)流動(dòng)滿足納維爾—斯托克斯(N-S)方程[9]：

(1)

可對流體模型進(jìn)行簡化，螺桿流動(dòng)分析簡化模型如圖1所示。

圖1 螺桿流動(dòng)分析簡化模型

螺桿內(nèi)流體微元截面分析模型如圖2所示。

圖2 螺桿內(nèi)流體微元截面分析模型

最終N-S方程簡化為：

(2)

(3)

代入邊界條件y=0,Vz=0;y=H,Vz=Vcosφ,可得：

(4)

流量公式為：

(5)

令V=πDN,W=πDsinφ,dz=dl/sinφ,代入式(5)可得：

(6)

式中：D—螺桿直徑；N—螺桿旋轉(zhuǎn)速度；H—螺槽深度；—螺槽螺旋角；流體粘度；V—流體流速；流體密度；P—出口壓強(qiáng)；Q—流體流量。

由式(6)可知：擠出流量由螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)引起，擠出流量與螺桿的直徑、螺槽深度、螺桿旋轉(zhuǎn)速度、流體的粘度、流場內(nèi)壓力梯度5個(gè)因素有關(guān)。在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)應(yīng)參考該5個(gè)因素對擠出效果的影響。

陶瓷流體為采用陶瓷粉末摻入溶劑中配制而成，常見的陶瓷粉末有羥基磷灰石、氧化鋯、氧化鋁等材料。實(shí)驗(yàn)采用氧化鋯陶瓷粉末作為基質(zhì)，配置陶瓷流體進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。

2 氣壓與擠出螺桿設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

該擠出系統(tǒng)包含氣壓推力輸送和螺桿擠出兩部分，分別實(shí)現(xiàn)不同功能：氣壓推力輸送將流體輸送至擠出噴頭處，螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體向下運(yùn)動(dòng)。擠出系統(tǒng)裝配示意圖如圖3所示。

目前，螺桿擠出在許多行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)氣壓推動(dòng)流體至噴頭處后，螺桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)流體向下運(yùn)動(dòng)，最終從噴嘴針頭處擠出，在運(yùn)動(dòng)平臺沉積，形成線形流體。

直寫成型技術(shù)采用的流體為非牛頓流體，對螺桿處的非牛頓流體取微元進(jìn)行受力分析，可得流體微元受力分析如圖4所示。

圖3 擠出系統(tǒng)裝配示意圖1-針頭；2-噴嘴；3-擠出螺桿；4-O型圈；5-尾座；6-陶瓷軸承；7-聯(lián)軸器；8-步進(jìn)電機(jī)；9-活塞；10-科筒；11-流道

圖4 流體微元受力分析

由此可得：

τ=F1r

(7)

F1=Fsinθ

(8)

F2=Fcosθ

(9)

(10)

則推力為：

(11)

式中：τ—步進(jìn)電機(jī)扭矩；S—螺桿螺距；r—絲桿中徑；θ—螺旋升角；F1—螺桿切向力；F2—螺桿推力。

由此可知：當(dāng)螺桿在電機(jī)帶動(dòng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿對流體會產(chǎn)生向下推力；相同條件下，扭矩越大，向前推力越大，使流體從噴頭針頭處擠出，直寫成型出線形流體。

擠出螺桿是復(fù)合型直寫系統(tǒng)的重要組成部分，擠出螺桿和步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)連接，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至整個(gè)螺桿[10]。擠出螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到最終的直寫成型效果，可將該螺桿近似等效為梯形螺紋，則影響成型效果的主要參數(shù)有螺距S、螺槽寬度B、螺桿內(nèi)徑Ds、螺桿外徑Dd、螺桿和機(jī)筒的間隙。螺桿幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示[11-12]。

圖5 螺桿幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

為簡化試驗(yàn)方案，本研究選取螺距S、螺桿內(nèi)徑Ds、螺桿外徑Dd、螺桿和機(jī)筒的間隙為試驗(yàn)因素，將高固相陶瓷流體擠出的試驗(yàn)效果根據(jù)流暢性劃分為1～10個(gè)等級，從1～10擠出效果流動(dòng)性逐漸變好，設(shè)計(jì)4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)。螺桿因素水平表如表1所示。

根據(jù)表1的正交試驗(yàn)方案，本研究進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算9組試驗(yàn)的結(jié)果得出各因素的均值和極差。螺桿試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 螺桿因素水平表

表2 螺桿試驗(yàn)結(jié)果

從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)因素中影響擠出效果比重依次為：螺距>螺桿和機(jī)筒內(nèi)的間隙>螺桿外徑>螺桿內(nèi)徑，在不同水平參數(shù)情況下，最優(yōu)效果為螺距4 mm，螺桿外徑14 mm，螺桿內(nèi)徑8 mm，螺桿和機(jī)筒內(nèi)的間隙1 mm。

對于擠出螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中，目前還沒有建立完善的理論方案，通過式(6)和前述正交實(shí)驗(yàn)，可以得出影響螺桿擠出效果的主要因素：

(1)擠出螺桿的螺距和螺桿外徑；

(2)螺桿和套筒的間隙。

其中，擠出螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響流體的擠出流量和擠出推力。擠出螺桿與套筒的間隙要保證適當(dāng)距離，距離過大會有過多的流體從間隙逆流，導(dǎo)致過多的流體從尾部擠出。

3 復(fù)合型陶瓷無模直寫成型系統(tǒng)開發(fā)

陶瓷無模直寫系統(tǒng)硬件主要由4部分構(gòu)成，XYZ三軸運(yùn)行平臺、螺桿擠出系統(tǒng)、氣壓送料系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)。復(fù)合型陶瓷無模直寫系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 復(fù)合型陶瓷無模直寫系統(tǒng)1-XYZ三軸運(yùn)行平臺；2-螺桿擠出系統(tǒng)；3-氣壓送料系統(tǒng)；4-嵌入式控制系統(tǒng)

本研究通過計(jì)算機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)軌跡指令，可實(shí)現(xiàn)噴頭的移動(dòng)，然后噴頭擠出線形流體，進(jìn)行無模直寫。

3.1 XYZ三軸運(yùn)行平臺

XYZ三軸運(yùn)行平臺的精度是決定無模直寫成型的精度關(guān)鍵因素之一。實(shí)現(xiàn)單軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有多種方案，常見的有導(dǎo)軌-同步帶、導(dǎo)軌-絲桿等。不同的單軸軌道有不同的使用場景，導(dǎo)軌-絲桿的傳動(dòng)方案相較于其他的傳動(dòng)方式，具有傳動(dòng)精度高和承載能力強(qiáng)的優(yōu)勢。

為了提高XYZ三軸的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)為了方便平臺的搭建，該方案將XYZ三軸全部采用導(dǎo)軌-絲桿的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。常見的XYZ組合方式有龍門式結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)等組合樣式，其中龍門式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單和方便調(diào)試的特點(diǎn)，從組裝的簡易操作考慮，采用龍門結(jié)構(gòu)，將螺桿擠出系統(tǒng)固定在X軸的運(yùn)動(dòng)模組上，Z軸采用雙軸設(shè)計(jì)提高運(yùn)行平臺對擠出系統(tǒng)的提升能力。

3.2 螺桿擠出系統(tǒng)

作為復(fù)合型陶瓷無模直寫系統(tǒng)關(guān)鍵部分，螺桿擠出部分主要由步進(jìn)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、擠出螺桿、套筒、針頭座、針頭等組成。步進(jìn)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)擠出螺桿旋轉(zhuǎn)。擠出螺桿與套筒形成流體流道，擠出螺桿與尾部的陶瓷軸承、尾座和O型圈配合，固定在外部套筒上。為方便不同口徑的替換，針頭通過旋轉(zhuǎn)快接固定在噴嘴上。在螺桿擠出系統(tǒng)安裝時(shí)，應(yīng)保證步進(jìn)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、陶瓷軸承、擠出螺桿、噴嘴和針頭在一條直線上。

3.3 氣壓輸送系統(tǒng)

本研究采用帶螺口的料筒，前端通過螺紋接頭實(shí)現(xiàn)與輸送管道的連接，輸送管道的另一端通過快接與套筒相連。儲料筒尾部接有壓縮機(jī)提供的穩(wěn)定氣壓，通過外接調(diào)壓閥控制輸入氣壓的大小，氣壓推動(dòng)儲料筒內(nèi)部活塞，進(jìn)而完成陶瓷流體向前輸送。陶瓷無模直寫系統(tǒng)打印的材料為高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的流體，為減少氣壓輸送過程中的摩擦阻力，同時(shí)考慮到方便清洗，螺桿擠出與氣壓送料的流道設(shè)計(jì)中，流道采用PU軟管，實(shí)現(xiàn)料筒和擠出噴頭連接。

3.4 嵌入式控制系統(tǒng)

該方案采用16位的Atmel MEGA 2560單片機(jī)為控制核心，在切片軟件完成噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃后，由上位機(jī)將運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接收到信號后，將信號發(fā)送給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在XYZ方向運(yùn)動(dòng)和擠出螺桿的運(yùn)動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在直寫成型過程中，配置優(yōu)良的陶瓷流體是獲得穩(wěn)定成型效果的關(guān)鍵。陶瓷粉末顆粒應(yīng)當(dāng)均勻地分散在溶劑中，沒有結(jié)塊產(chǎn)生。陶瓷流體應(yīng)保證良好的流變特性，保證陶瓷流體可以從精細(xì)的針頭中流暢地?cái)D出，同時(shí)還應(yīng)保證流體擠出后線條流暢不斷裂，保持之前設(shè)計(jì)的精度和形狀。應(yīng)當(dāng)盡可能地提高陶瓷流體的固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減少直寫后因干燥而造成的體積收縮和斷裂的問題。對于陶瓷粉料，本文以氧化鋯陶瓷粉末作為基質(zhì)，采用去離子水作為溶劑，同時(shí)添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，制備穩(wěn)定的陶瓷流體[13]。

直寫成型通過離散-疊加的方式成型，合理的形狀設(shè)計(jì)是直寫成型的關(guān)鍵。該次試驗(yàn)中通過CAM軟件slic3r設(shè)計(jì)了三維的木堆結(jié)構(gòu)，這種木堆結(jié)構(gòu)兩層之間相互正交，具有一定孔隙率[14]。

本研究將制備好的陶瓷流體填入儲料筒中，固定在XYZ三軸運(yùn)行平臺上，選用內(nèi)徑0.6 mm的針頭，通過計(jì)算機(jī)對陶瓷無模直寫系統(tǒng)發(fā)送指令，同時(shí)打開壓力閥輸出穩(wěn)定送料擠出壓力，擠出系統(tǒng)在XYZ三軸平臺的運(yùn)動(dòng)下按照預(yù)先設(shè)定的軌跡移動(dòng)，在直寫成型完成第一層結(jié)構(gòu)后，運(yùn)行平臺Z軸向上提升一定高度，開始直寫第二層結(jié)構(gòu)，如此層疊往復(fù)，最終完成陶瓷三維骨架的生成。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，本研究最終完成了高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷流體的直寫成型，如圖7所示。

圖7 陶瓷材料木堆結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

在直寫成型后對三維木堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，擠出線條較為流暢，擠出線條發(fā)生膨脹，線條的直徑大于噴嘴內(nèi)徑0.6 mm。

在擠出螺桿設(shè)計(jì)過程中，本研究通過分析非牛頓流體的流變特性，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)的方法，得到了在該復(fù)合系統(tǒng)中，影響螺桿擠出效果的兩大因素：螺距、螺桿與機(jī)筒內(nèi)的間隙，并確定了適合高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷流體的螺桿的技術(shù)指標(biāo)。在成型過程中應(yīng)根據(jù)流體的流變特點(diǎn)，調(diào)整相應(yīng)的氣壓輸送系統(tǒng)的壓力，控制噴頭處陶瓷流體的流量，并使陶瓷流體可以通過針頭流暢擠出不斷裂。同時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)平臺運(yùn)動(dòng)速度與氣壓輸送系統(tǒng)的壓力的配合，當(dāng)平臺運(yùn)行速度過快時(shí)，應(yīng)當(dāng)增大氣壓輸送系統(tǒng)的壓力，以此來增大流體輸送量。當(dāng)平臺運(yùn)行速度過慢時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小氣壓輸送系統(tǒng)的壓力，以此來降低流體輸送量。針對上述情況，通過slic3r生成運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)應(yīng)當(dāng)匹配相應(yīng)的氣壓輸送系統(tǒng)的壓力值，確保陶瓷流體可以順暢擠出。

5 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷流體的陶瓷無模直寫成型，本研究分析了高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)陶瓷流體的流變特性及其對擠出的影響；通過運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了擠出螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)；搭建了陶瓷無模直寫平臺，并進(jìn)行了陶瓷無模直寫的試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)三維模型，進(jìn)而通過CAM技術(shù)生成噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡，可以完成高固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷無模直寫成型。