陶瓷3D 打印機(jī)擠出機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真分析

叢日原，杜云剛，魯 玥，馬昊鵬

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 引 言

3D打印技術(shù)的誕生與發(fā)展為各個(gè)行業(yè)都帶來了新的發(fā)展方向，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航天和國防、醫(yī)療行業(yè)、文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)等領(lǐng)域。陶瓷行業(yè)的發(fā)展也受到3D打印技術(shù)的影響，為陶瓷成型與創(chuàng)造[1-5]提供了更加廣闊的空間，使得陶藝這門復(fù)雜的藝術(shù)變得簡單，更容易掌握。丁承君等[6]針對(duì)擠出機(jī)使用ANSYS Fluent流體仿真軟件對(duì)擠出過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了螺桿以及內(nèi)部流體的壓強(qiáng)，但并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。李章平等[7]針對(duì)膠液在精密點(diǎn)膠螺桿泵內(nèi)的流動(dòng)過程進(jìn)行了細(xì)致地分析，得到了螺桿轉(zhuǎn)速、螺槽尺寸、入口壓力和針頭大小等參數(shù)對(duì)擠膠量的影響規(guī)律，但并未將其應(yīng)用在陶泥成型領(lǐng)域。陳從平等[8]在分析非牛頓流體動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上, 建立了非牛頓流體微擠出時(shí)的流速、流量及微擠出量的物理預(yù)測模型，為非牛頓流體定量微擠出過程的精確控制提供了基礎(chǔ)。越來越多的人開始制作陶瓷3D打印機(jī)[9-11]，并在擠出性能與影響因素上進(jìn)行了研究[12-13]。該文通過對(duì)擠出機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及間隙等因素，借助流體力學(xué)知識(shí)以及仿真軟件改善了陶泥擠出機(jī)的擠出性能，使其在打印需要進(jìn)行間斷擠出的模型時(shí)，能夠產(chǎn)生回退動(dòng)作，防止噴嘴處外溢的陶泥刮傷已打印表面。設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)間斷擠出、順暢流動(dòng)、可快速更換不同尺寸噴嘴的陶瓷3D打印機(jī)擠出機(jī)。

1 擠出機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擠出機(jī)的設(shè)計(jì)采用拼接式連接，如圖1所示，整個(gè)裝置包含：步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、螺桿、料筒、硅膠墊片、噴嘴外殼、噴嘴。

圖1 擠出機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Profile of extruder structure

擠出機(jī)的電機(jī)采用型號(hào)為42HB60-402A的步進(jìn)電機(jī)，最大提供0.9 N·m的扭矩，能夠在擠出較為粘稠的陶泥時(shí)也不會(huì)發(fā)生卡頓情況，保證了擠出的流暢性。裝置整體尺寸的設(shè)計(jì)充分考慮到長度過長的擠出機(jī)會(huì)因重心過高問題而產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，影響打印質(zhì)量。所以，螺桿長度的設(shè)計(jì)在保證擠出機(jī)工作性能的前提下，僅使用了 H=71 mm的長度。

1.1 擠出機(jī)螺桿參數(shù)

陶泥擠出機(jī)中螺桿的設(shè)計(jì)對(duì)擠出效率有著非常重要的影響，不同的參數(shù)設(shè)計(jì)出的螺桿對(duì)陶泥的推送效果也大不相同。下面為螺桿設(shè)計(jì)中的一些重要參數(shù)及具體數(shù)值。

圖2 螺桿局部圖Fig.2 Partial drawing of screw

其中：小徑d1=9 mm；中徑d2=13 mm；大徑d=16 mm；相鄰兩螺紋牙在中徑線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的軸線距離P=14 mm；螺棱寬度H=8 mm；螺紋升角ψ=67°。

1.2 陶泥入口位置的設(shè)計(jì)

陶泥入口選用斜入式，配合進(jìn)料PU軟管的進(jìn)入方向，減小移動(dòng)時(shí)由于軟管的拉扯對(duì)打印質(zhì)量的影響。入口位置的選擇也對(duì)擠出效果有影響，陶泥入口處距離螺桿頂部距離H1過大時(shí)，螺桿對(duì)陶泥的回退效果差，無法精準(zhǔn)控制陶泥的擠出與停止，非打印狀態(tài)時(shí)噴嘴處有陶泥外溢；陶泥入口處距離螺桿頂部距離H1過小時(shí)，螺桿的推送效果會(huì)被大大削弱，底部噴嘴出泥量不足，泥料擠出不連續(xù)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出入口位置距螺桿頂部的距離與螺桿的長度之比H1/H=0.6時(shí)陶泥擠出效果最佳。陶泥入口截面設(shè)置為直徑3 mm的圓形，過大的入口直徑雖然能降低對(duì)空氣壓縮機(jī)的要求，但是擠出機(jī)頂部縫隙會(huì)有大量的陶泥外溢，影響打印。過小的入口直徑則需要更大的壓力才能夠?qū)⑻漳嗤扑瓦M(jìn)擠出機(jī)，入口直徑小于2.5 mm時(shí)，需要空氣壓縮機(jī)持續(xù)提供大于 0.5 MPa的壓力，對(duì)氣泵的要求過高。

1.3 陶泥出口處的設(shè)計(jì)

陶瓷 3D打印機(jī)擠出機(jī)出口處的設(shè)計(jì)對(duì)打印過程中打印質(zhì)量有著十分重要的影響。文中的陶泥擠出機(jī)出口處采用了過渡降壓擠壓凹模結(jié)構(gòu)，出口底部采用圓錐形結(jié)構(gòu)，螺桿頂部的圓頂與錐形料筒內(nèi)壁形成一個(gè)錐形薄層空間，如圖3所示。針對(duì)流動(dòng)性差的流體，該結(jié)構(gòu)有利于將螺桿推送下來的流體快速過渡到噴嘴內(nèi)，防止陶泥堆積，堵塞出口。噴嘴外殼與擠出機(jī)整體采用螺紋連接，通過螺紋之間的預(yù)緊力將硅膠墊片、料筒出口以及噴嘴尾部緊密連接，形成封閉管路，保證了擠出機(jī)出口處的密封性，提高了裝置的氣密性且具有更換性。

圖3 噴嘴區(qū)域圖Fig.3 Nozzle area diagram

2 間隙對(duì)擠出機(jī)性能的影響

螺桿與料筒的間隙對(duì)擠出機(jī)工作性能有著非常重要的影響，這里的間隙指的是料筒內(nèi)壁與螺桿外壁的單側(cè)間隙δ。間隙的大小決定著擠出機(jī)的流量、回流量、剪切應(yīng)力等擠出特性。隨 δ的增大，擠出量減少，料筒頂部會(huì)有大量陶泥溢出。隨 δ的減小，泥漿受到的剪切作用力增大，容易造成泥水分離，并且使螺桿與料筒摩擦太過劇烈甚至抱死，不利于泥漿的攪拌與氣泡的排出。陶瓷泥漿在流動(dòng)時(shí)切應(yīng)力和速度梯度之間的關(guān)系不符合牛頓內(nèi)摩擦定律，為冪律流體，因此可以采用冪律模型進(jìn)行分析。

即

式中：K為稠度系數(shù)，反應(yīng)聚合物熔體的粘稠性；n為非牛頓指數(shù)，反應(yīng)聚合物偏離牛頓流體性質(zhì)的程度; dγ/dt為剪切速率；ηa為非牛流體的表觀粘度。在指數(shù)流動(dòng)過程中，非牛頓指數(shù) n和稠度系數(shù)K均可由實(shí)驗(yàn)獲得。當(dāng)n<1時(shí)，稱為假塑性流體；當(dāng) n>1時(shí)，非牛頓流體則轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體。對(duì)于塑料擠出機(jī)，塑料在注塑成型時(shí)，可以通過黏度的大小來判斷操作難易程度，一般情況下某一塑料在剪切速率為 103s–1時(shí)測得其表觀粘度為50~500 Pa·s，那么在注射過程中將不會(huì)出現(xiàn)問題。對(duì)于陶泥而言，表觀黏度相對(duì)塑料熔體較小。

參照塑料擠出機(jī)，擠出量Q是由正流Qd、壓力流Qp和漏流QL共同組成。其中擠出機(jī)漏流QL是料筒與螺棱間隙處形成的倒流，方向沿螺桿軸線方向，并由機(jī)頭向后，對(duì)提高擠出機(jī)流量起反作用。

式中：D為螺桿外徑；δ為螺桿與料筒間隙；ψ為螺旋升角；L3為計(jì)量段長度；P2為計(jì)量段開始處熔體壓力，P1為計(jì)量段結(jié)束處熔體壓力。針對(duì)陶泥擠出機(jī)，因?yàn)槁輻U的設(shè)計(jì)為等螺距等槽深螺桿，此處校正L3為陶泥入口距螺桿頂部距離、P2為入口處壓力、P1為陶泥出口處壓力。由式（4）可知，螺桿與料筒的間隙 δ對(duì)漏流量有較大的影響，漏流量數(shù)值與δ3正比，所以在擠出機(jī)設(shè)計(jì)中，δ應(yīng)當(dāng)選擇合適的數(shù)值來滿足正常工作時(shí)的擠出量。由于制造工藝選擇FDM技術(shù)，制造精度與車床加工相比有一定差距，螺桿與料筒內(nèi)壁的單側(cè)間隙保留值應(yīng)在0.15~0.20 mm之間，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，陶泥擠出順滑，無外溢情況。

3 仿真分析

該文使用流體分析軟件 SOLIDWORKS Flow Simulation，模擬出陶瓷泥漿在擠出機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況以及內(nèi)部靜壓，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。分析時(shí)采用了密度為 1285 kg/m3，一致性系數(shù)為12 Pa·s的陶瓷泥漿，黏度采用冪律模型。電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.5r/s，入口處的流速設(shè)置為3 mm/s，擠出機(jī)開口處均設(shè)置為環(huán)境壓力101325 Pa，溫度設(shè)定為293.2 K。螺桿外壁與料筒內(nèi)壁的壁面條件均設(shè)為真實(shí)壁面，進(jìn)行分析。

3.1 流體靜壓

陶瓷泥漿在料筒內(nèi)部的靜壓分布如圖4所示。陶瓷泥漿從入口處進(jìn)入后，經(jīng)螺桿擠壓作用將陶泥推送至噴嘴處，因靜壓是流體中不受流速影響而測得的表壓力值 ，故從入口至噴嘴處的靜壓逐漸增大，到達(dá)料筒底部壓力達(dá)到最大。因此，料筒在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮壁厚與填充密度等因素，避免因壓力過大導(dǎo)致破損與滲水。

3.2 流動(dòng)跡線

陶瓷泥漿在料筒內(nèi)部流動(dòng)跡線如圖5所示。

圖4 陶瓷泥漿靜壓Fig.4 Static pressure of ceramic mud

圖5 流動(dòng)跡線Fig.5 Flow trace

從圖 5可知，陶瓷泥漿進(jìn)入料筒內(nèi)部后，分為兩部分。一小部分朝螺桿尾部方向運(yùn)動(dòng)，靜壓逐漸減小，陶瓷泥漿將含螺紋部分的螺桿包裹后，形成一段封閉空間阻礙陶泥繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，有效地防止了外溢，證明了螺桿與料筒間隙設(shè)計(jì)的合理性。絕大部分的陶瓷泥漿則隨螺桿地轉(zhuǎn)動(dòng)，從噴嘴處流出。在噴嘴處采用點(diǎn)參數(shù)對(duì)出口處截面圓的圓心進(jìn)行陶瓷泥漿流速分析，得到出口處的流速為19 mm/s。

3.3 螺桿分析

從圖 6可知，螺桿表面靜壓分布與陶瓷泥漿流體靜壓分布幾乎一致，螺桿頂部達(dá)到最大值102249 Pa，螺桿材料ABS具有良好的強(qiáng)度性能。因此，能夠滿足工作壓力要求。

圖6 螺桿表面靜壓Fig.6 Surface static pressure of screw

4 實(shí)驗(yàn)部分

陶瓷 3D打印機(jī)擠出機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用了Delta類型的3D打印機(jī)，陶泥密度較ABS等材料大，打印件較重，不易在運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)上固定。Delta類型打印機(jī)采用并聯(lián)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)限制噴頭在各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，從而使噴頭在水平面內(nèi)工作。而打印平臺(tái)則被固定，在打印陶泥作品時(shí)不會(huì)對(duì)已打印完成的陶泥基體產(chǎn)生影響，保證了打印質(zhì)量。在打印體積方面，Delta類型具有較其它類型 3D打印機(jī)較高的打印高度，裝置如圖7所示。它支持最高320 mm的打印尺寸，能夠滿足陶器中瓶類器件對(duì)高度的要求。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 7 Experimental platform

空氣壓縮機(jī)負(fù)責(zé)提供氣壓，氣流經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)，為儲(chǔ)料筒提供穩(wěn)定氣壓。實(shí)驗(yàn)過程中壓力的控制根據(jù)陶泥的稀釋程度，在0.2 MPa-0.4 MPa之間調(diào)整較為合適。陶泥壓入擠出機(jī)后經(jīng)螺桿擠壓，將陶泥送到噴嘴處，并在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中將氣泡從頂部排出，防止氣流將已打印模型破壞。配有螺桿的擠出機(jī)在打印復(fù)雜模型時(shí)能夠停止擠出，等待噴頭移動(dòng)到下一個(gè)打印點(diǎn)后繼續(xù)擠出。完成每一層的打印時(shí)，也能夠產(chǎn)生回退，將多余的陶泥從噴嘴處回抽進(jìn)料筒內(nèi)，防止噴嘴在移動(dòng)時(shí)多余泥料刮傷已打印表面。

圖8 打印過程Fig.8 Printing process

圖8 為正在打印的瓶體，打印速度設(shè)置為20 mm/s?？梢杂^察到打印出的瓶體表面紋路清晰，無毛刺、斷料等問題。每層的邊緣為打印時(shí)高度提升位置，該處的擠出量控制較為精準(zhǔn)，層次清晰，無堆積。

圖9 打印完成的作品Fig. 9 Finished print product

圖9 為打印完成的兩個(gè)作品，模型復(fù)雜多變，在高度以及精細(xì)程度上面都能夠滿足要求，實(shí)現(xiàn)了陶瓷藝術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

文中提出了一種由FDM打印技術(shù)制造的陶瓷泥漿擠出機(jī)，并討論了其螺桿，陶泥入口與出口等因素對(duì)擠出性能的影響。使用流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)分析了間隙對(duì)擠出機(jī)工作性能的影響，得出單側(cè)間隙在0.15~0.20 mm之間擠出性能較好，打印出的作品表面光滑，無毛刺等問題。最后，采用了SOLIDWORKS Flow Simulation流體仿真軟件對(duì)擠出機(jī)內(nèi)陶泥的流動(dòng)以及內(nèi)部靜壓分布進(jìn)行了詳細(xì)的分析，進(jìn)一步優(yōu)化了擠出機(jī)套筒與螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得陶瓷3D打印機(jī)擠出機(jī)具有良好的擠出性能。