高黏度材料超聲輔助3D打印技術(shù)

郭文輝，肖鴻，2，3，明越科，段玉崗，2，3，齊瑤，禾前，李婷

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049； 2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.西安交通大學(xué)高端裝備研究院，西安 710115)

3D打印技術(shù)是基于離散/堆積原理，對(duì)材料進(jìn)行逐層堆積成型，具有無(wú)需傳統(tǒng)刀具模具、節(jié)省材料、可成型復(fù)雜件、縮短設(shè)計(jì)制造周期等優(yōu)點(diǎn)[1–3]。根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)與成型方法，3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積成型、光固化立體成型、分層實(shí)體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化、金屬激光熔融沉積、電子束熔絲沉積成型[4–8]。3D打印可供打印的材料多種多樣，包括金屬粉末、高分子材料、陶瓷漿料、生物凝膠等[9–10]，有些材料由于黏度較大導(dǎo)致傳統(tǒng)的3D打印方法無(wú)法滿足打印要求，如陶瓷粘土、高固含量材料(固含量>60%)、電熱導(dǎo)電膏、粘性聚合物、藥品和食品的粘稠漿料等[11]。

目前，針對(duì)這類材料大多采用擠出成型方式。Hong等[12]利用螺桿擠出和3D打印直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超高黏度(μ>7 000 Pa·s)銅漿料的打印，但螺桿擠出打印方式不適用于對(duì)發(fā)熱、摩擦敏感的生物材料和含能材料。Kebede等[13]利用氣動(dòng)擠壓打印固含量80%的高黏度漿料，可有效地實(shí)現(xiàn)漿料的擠壓和各層的加熱，制備的試樣與常規(guī)鑄造件的力學(xué)性能相當(dāng)，但是打印使用的壓力較大，打印速度較慢，且打印噴嘴直徑為1.65 mm，打印精度較差。Gunduz等[14]提出了一種新型3D直寫技術(shù)，利用大振幅超聲振動(dòng)將具有高混合黏度的推進(jìn)劑打印成高分辨幾何形狀，但大振幅超聲振動(dòng)會(huì)降低打印精度。冶竣峰等[15]針對(duì)熔融沉積型3D打印機(jī)在打印過(guò)程中存在的打印速度慢的問(wèn)題，引入了高頻振動(dòng)輔助的工作方式，有效地降低純丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和15%碳纖維-聚乳酸(PLA)流動(dòng)阻力，提高了材料的擠出速度，但該方法主要用于熔融沉積技術(shù)。

針對(duì)螺桿、活塞擠出方式不具備材料普遍適用性，氣壓擠出存在擠出緩慢、堵塞噴嘴、流動(dòng)遲滯現(xiàn)象等問(wèn)題，筆者提出了一種基于超聲振動(dòng)的高黏度材料3D打印方法，通過(guò)對(duì)整個(gè)噴頭施加小振幅的振動(dòng)，減小高黏度材料流動(dòng)過(guò)程中的阻力，實(shí)現(xiàn)高黏度材料高效、高精打印。分析了超聲振動(dòng)減摩機(jī)理，并利用COMSOL軟件進(jìn)行了超聲振動(dòng)打印噴頭擠出過(guò)程的數(shù)值模擬，搭建了高黏度材料超聲輔助3D打印平臺(tái)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，75%固含量的二氧化鋯陶瓷材料為例，進(jìn)行了超聲振動(dòng)打印噴頭的擠出實(shí)驗(yàn)，研究了有無(wú)超聲、不同振幅、不同噴嘴直徑對(duì)擠出速度的影響，最后，通過(guò)打印52.96 mm×8.56 mm×4.8 mm的長(zhǎng)方體樣件檢驗(yàn)了該3D打印方法的成型精度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

氨基甲酸酯丙烯酸酯：EB8413，湛新樹(shù)脂(中國(guó))有限公司；

脂肪族聚氨酯丙烯酸酯：RJ425，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

甲基丙烯酸異冰片酯：IBOMA，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮：1173，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

聚丙烯酸鈉(PAAS)：南通大瑤化學(xué)品有限公司；

氧化鋯陶瓷粉末：200 nm，河北科澤金屬材料有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

真空攪拌機(jī)：S901型，宿遷鳴齒醫(yī)療器械有限公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：MCR302型，奧地利安東帕公司；

超聲發(fā)生器：THD-M6型，廣東深圳電科超聲波工廠；

超聲換能器：28 kHz，廣東深圳電科超聲波工廠；

多普勒激光測(cè)振系統(tǒng)：PSV-400-M4型，德國(guó)寶利泰公司。

1.3 超聲輔助3D打印平臺(tái)

高黏度材料超聲輔助3D打印平臺(tái)如圖1所示。搭建了高黏度材料超聲輔助3D打印平臺(tái)，超聲發(fā)生器通過(guò)電線連接超聲換能器，控制超聲換能器在垂直于材料擠出方向進(jìn)行超聲振動(dòng)，帶動(dòng)打印噴頭在振動(dòng)方向上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)超聲輔助打印頭按照CAD模型單層切片軌跡在X-Y平面內(nèi)移動(dòng)，單層打印完成后，打印基板沿Z向上抬升單個(gè)切片厚度，重復(fù)上述步驟，直至完成整個(gè)設(shè)計(jì)樣件的打印成型。

圖1 高黏度材料超聲輔助3D打印平臺(tái)

1.4 材料制備

實(shí)驗(yàn)使用材料為光敏樹(shù)脂/二氧化鋯陶瓷漿料，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，75%，通過(guò)將預(yù)聚物(EB8413)、活性稀釋劑(RJ425，IBOMA)、光引發(fā)劑(1173)混合得到光敏樹(shù)脂，再將光敏樹(shù)脂、分散劑(PAAS)混合均勻后加入氧化鋯陶瓷粉末，使用真空攪拌機(jī)不斷攪拌混合，直至分散均勻?yàn)橹埂?/p>

1.5 流變性能測(cè)試

以二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的光敏樹(shù)脂/二氧化鋯陶瓷漿料為例，分析超聲振動(dòng)打印噴頭對(duì)擠出速度的提高效果，通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀可以得到黏度的離散點(diǎn)分布，利用賓漢模型對(duì)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)離散點(diǎn)進(jìn)行擬合，其中賓漢模型[16–17]如公式(1)：

式中：η——?jiǎng)恿︷ざ龋?/p>

ηp——塑性黏度；

τy——屈服應(yīng)力；

mp——模型參數(shù)；

γ˙——剪切速率。

擬合得到動(dòng)力黏度隨剪切速率的變化曲線如圖2所示，并得出剪切速率和材料動(dòng)力黏度的關(guān)系式如公式(2)：

圖2 黏度隨剪切速率的變化曲線及擬合函數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲振動(dòng)減摩機(jī)理

設(shè)置流體為連續(xù)性介質(zhì)，忽略能量損失，且不考慮流體分子間空隙，材料在氣壓作用下從噴嘴處擠出的流動(dòng)過(guò)程中，需要遵循質(zhì)量、動(dòng)量守恒規(guī)律[18–19]如公式(3)以及公式(4)。

式中：ρ——流體密度；

t——流動(dòng)時(shí)間；

V——速度矢量；

g——重力加速度；

p——壓力；

μ——?jiǎng)恿︷ざ取?/p>

式(4)中右側(cè)每一項(xiàng)均表示單位質(zhì)量流體的作用力，ρg是單位體積流體受到的重力；?p為壓力，主要與流體受到的壓力有關(guān)；μ?2V為粘性力項(xiàng)，可分為粘性切向力和粘性附加法向力。

粘性力項(xiàng)為流體擠出過(guò)程的主要阻力，為了得到超聲振動(dòng)對(duì)于擠出阻力的影響，接下來(lái)將對(duì)超聲振動(dòng)作用噴頭的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析。圖3為截點(diǎn)1，2處流體振動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)速度。由圖3a可見(jiàn)，取靠近料筒壁面一點(diǎn)為截點(diǎn)1，取靠近中心一點(diǎn)為截點(diǎn)2，對(duì)噴嘴施加超聲振動(dòng)，截點(diǎn)1，2振動(dòng)方向速度如圖3b所示。由于水平振動(dòng)的周期性和慣性作用，截點(diǎn)1，2之間的速度差曲線是周期變化的，周期大小為1/2個(gè)振動(dòng)周期，速度差的最大值(圓形點(diǎn))出現(xiàn)在壁面振動(dòng)速度波峰/波谷前，速度差的最小值(方形點(diǎn))出現(xiàn)在截點(diǎn)1，2速度的交點(diǎn)處。

圖3 截點(diǎn)1、2處流體振動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)速度

圖4為振動(dòng)過(guò)程中噴嘴內(nèi)流體振動(dòng)方向的速度云圖。圖4中箭頭方向表示速度方向，箭頭大小表示速度大小，由于料筒內(nèi)的流體不是一個(gè)整體，因此，在噴頭發(fā)生超聲振動(dòng)時(shí)各單元的速度不一致，圖4a顯示當(dāng)速度差達(dá)到最大時(shí)，壁面箭頭與靠近中心箭頭差異較大，圖4b顯示當(dāng)速度差最小時(shí)，壁面箭頭與靠近中心箭頭基本一致，速度差的波動(dòng)周期長(zhǎng)度與振動(dòng)周期長(zhǎng)度一致。利用單元之間的速度差可以減小某側(cè)流體間的粘性力，當(dāng)單元間的速度差最大時(shí)，式(4)中的粘性力項(xiàng)μ?2V最小，擠出速度達(dá)到最大值。

圖4 流體振動(dòng)方向速度云圖

2.2 數(shù)值模擬超聲振動(dòng)對(duì)流體流速的影響

通過(guò)COMSOL軟件對(duì)上述打印過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。由于打印料筒在振動(dòng)方向上作周期運(yùn)動(dòng)，因此選擇求解方式為瞬態(tài)求解。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，模型的邊界條件設(shè)置列于表1。

表1 超聲振動(dòng)擠出模型邊界條件設(shè)置

在對(duì)建好的幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、計(jì)算后得到超聲振動(dòng)輔助擠出過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。當(dāng)氣壓為0.5 MPa、噴嘴直徑為1 mm、超聲振動(dòng)頻率為28 kHz、振動(dòng)幅值為5 μm時(shí)，超聲輔助打印噴頭擠出速度在3.54 mm/s至9.48 mm/s內(nèi)波動(dòng)，擠出速度波動(dòng)周期長(zhǎng)度(圖5)等于1/2速度差周期長(zhǎng)度(圖3b)，且擠出速度從最大值到最小值再到最大值對(duì)應(yīng)噴頭內(nèi)速度差從最大值到最小值再到最大值，該現(xiàn)象驗(yàn)證了前述的振動(dòng)減摩機(jī)理。根據(jù)上述原理可以得到，擠出速度的變化主要是由于噴頭不斷加速、減速和慣性作用導(dǎo)致的速度差促使的，而速度差的大小主要由噴頭的運(yùn)動(dòng)加速度決定，即由振動(dòng)的頻率和振幅決定。

圖5 超聲振動(dòng)影響擠出速度的數(shù)值模擬結(jié)果

由于周期時(shí)間非常短，這種波動(dòng)式擠出不會(huì)使擠出過(guò)程出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象，因此筆者對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的擠出速度求平均值作為超聲輔助擠出速度大小，計(jì)算得到擠出速度為6.53 mm/s，而無(wú)超聲輔助擠出速度為0.14 mm/s，超聲輔助打印噴頭的擠出速度是無(wú)超聲打印噴頭的46.6倍，仿真結(jié)果表明超聲振動(dòng)輔助打印噴頭能夠顯著提高高黏度材料的擠出打印速度。

2.3 超聲輔助打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及成型精度分析

為得到不同實(shí)驗(yàn)條件下高黏度材料的擠出速度，通過(guò)改變氣壓、振幅以及噴嘴直徑等參數(shù)測(cè)量了30 s內(nèi)的擠出材料的質(zhì)量，并依據(jù)公式(5)得到了高黏度材料在不同實(shí)驗(yàn)條件下的擠出速度。

式中：s——擠出速度；

m——擠出質(zhì)量；

A——截面積。

(1)超聲振動(dòng)對(duì)擠出速度的影響。

表2為超聲振動(dòng)對(duì)不同固含量材料擠出速度的影響。當(dāng)二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，在氣壓大于0.4 MPa時(shí)，漿料才能擠出；而當(dāng)二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%時(shí)，無(wú)超聲振動(dòng)，氣壓為0.2～0.6 MPa時(shí)，材料都無(wú)法擠出。而施加了超聲振動(dòng)后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%和75%的陶瓷材料都能順利擠出，并且當(dāng)氣壓為0.4，0.5，0.6 MPa時(shí)，超聲對(duì)擠出速度的提高分別為278%，187%和113%，提升效果顯著，能夠達(dá)到打印標(biāo)準(zhǔn)。

表2 超聲振動(dòng)對(duì)不同二氧化鋯陶瓷材料擠出速度的影響

二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，75%漿料在有無(wú)超聲振動(dòng)時(shí)擠出速度隨氣壓的變化如圖6所示。

圖6 超聲振動(dòng)對(duì)不同二氧化鋯陶瓷材料擠出速度的影響

可以發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)噴頭可以使小氣壓或高黏度無(wú)法氣壓擠出的材料成功擠出，隨著氣壓的增大，材料擠出的絕對(duì)速度在不斷增大，但是速度提升在不斷減小，這是由于當(dāng)氣壓增大，即?p增大，而μ?2V只與速度差相關(guān)，粘性力減小量不變，因此擠出速度提升減小。

(2)振幅對(duì)擠出速度的影響。

由于超聲振動(dòng)對(duì)擠出速度的增強(qiáng)主要取決于振動(dòng)的頻率與幅值，而振動(dòng)頻率已確定，振動(dòng)幅值則通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)生器的輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。為探究振幅與擠出速度的關(guān)系，使用多普勒激光測(cè)振系統(tǒng)對(duì)超聲振動(dòng)噴頭的振幅進(jìn)行測(cè)量，固含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的陶瓷漿料的擠出速度與振幅的關(guān)系如圖7所示，由圖7a可見(jiàn)，當(dāng)功率輸出100%，振幅達(dá)到4.7 μm。

圖7 超聲振動(dòng)振幅對(duì)功率及擠出速度的影響

在測(cè)得功率與振幅的關(guān)系后，進(jìn)一步探究振幅與擠出速度的關(guān)系。由圖7b可見(jiàn)，當(dāng)氣壓為0.6 MPa時(shí)，噴嘴直徑為1 mm，隨著振幅的增大，擠出速度也在不斷增大，從最初的22.9 mm/s增大到48 mm/s，提升了109.6%。

(3)噴嘴直徑對(duì)擠出速度的影響。

通過(guò)更換不同直徑的打印噴嘴，進(jìn)行氣壓為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 MPa時(shí)擠出速度的測(cè)試。測(cè)試二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。當(dāng)噴嘴直徑為1.5 mm時(shí)，擠出速度最大，隨著噴嘴直徑的不斷減小，擠出速度基本逐漸減小。噴嘴直徑為0.8 mm時(shí)的擠出速度略大于噴嘴直徑為1.0 mm的擠出速度，不同噴嘴直徑在不同氣壓下時(shí)的擠出速度存在交叉現(xiàn)象，這是噴頭與噴嘴的連接以及噴嘴自身的加工存在誤差導(dǎo)致的。

圖8 噴嘴直徑(D)對(duì)擠出速度的影響

(4)打印樣件成型精度。

圖9為打印長(zhǎng)方體樣件及精度測(cè)試。圖9a為使用3D打印平臺(tái)打印的52.96 mm× 8.56 mm×4.8 mm的長(zhǎng)方體樣件。由于樣件的寬度較小，因此，對(duì)打印樣件的長(zhǎng)度進(jìn)行5個(gè)不同點(diǎn)的測(cè)量，寬度和高度每隔5 mm進(jìn)行一次測(cè)量，總共測(cè)量10次，將平均值與設(shè)計(jì)尺寸比較，得到打印樣件的尺寸精度。圖9b～圖9d為長(zhǎng)方體長(zhǎng)、寬、高的測(cè)量值。由圖9可以得到，長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度為53.27 mm，誤差為0.6%；寬度為8.57 mm，誤差為0.1%；高度為4.82 mm，誤差為0.4%，整體誤差控制在1%以內(nèi)。上述結(jié)果表明，利用超聲振動(dòng)輔助打印噴頭可以在保證打印精度的基礎(chǔ)上，提高高黏度材料的擠出速度，該3D打印技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)骨骼、固體推進(jìn)劑這類高要求產(chǎn)品的高精度打印和批量化生產(chǎn)具有重要意義。

圖9 打印長(zhǎng)方體樣件及精度測(cè)試

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有氣壓擠出3D打印方法打印高黏度材料時(shí)存在擠出緩慢、易堵塞、流動(dòng)遲滯等問(wèn)題，筆者提出了一種基于超聲振動(dòng)的高黏度材料3D打印方法，具體如下：

(1)研究了超聲振動(dòng)打印噴頭的減摩機(jī)理。分析表明，超聲振動(dòng)打印噴頭是利用慣性使流體材料間出現(xiàn)速度差，進(jìn)而減小流體材料間的粘性力，達(dá)到增大流動(dòng)速度的效果。

(2)使用COMSOL軟件模擬了超聲輔助打印噴頭在振動(dòng)狀態(tài)下流體的擠出過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在超聲振動(dòng)輔助下，高黏度材料的擠出速度呈周期波動(dòng)，平均擠出速度為6.53 mm/s，是無(wú)超聲狀態(tài)下的46.6倍。

(3)進(jìn)行了超聲輔助打印噴頭擠出實(shí)驗(yàn)與打印件成型精度測(cè)試，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的漿料的擠出速度最少提高了113%，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的漿料實(shí)現(xiàn)了由無(wú)法擠出到擠出順暢的突破，隨著振幅、噴嘴直徑的增大，擠出速度逐漸增大。3D打印長(zhǎng)方體樣件長(zhǎng)、寬、高方向的打印誤差分別為0.6%，0.1%，0.4%，整體誤差控制在1%內(nèi)。

結(jié)果表明，所提出的超聲輔助高黏度材料3D打印方法在保證打印精度的同時(shí)，顯著提高了打印成型效率。該3D打印方法對(duì)機(jī)械與航空航天制造、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域中，陶瓷漿料、高固含量材料、電熱導(dǎo)電膏等高黏度材料的高效高精3D打印具有潛在應(yīng)用價(jià)值。下一步研究方向?qū)⒗^續(xù)聚焦于超聲輔助打印參數(shù)對(duì)高黏度材料3D打印件力學(xué)性能的影響研究、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及超聲輔助打印的穩(wěn)定性和3D打印件成型質(zhì)量(孔隙、表面粗糙度)的研究。