擠出沉積3D打印工藝參數(shù)對(duì)發(fā)射藥尺寸及拉伸強(qiáng)度的影響

周夢(mèng)蕾,南風(fēng)強(qiáng),何衛(wèi)東,王沫茹,堵平,王彬彬

(南京理工大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引言

發(fā)射藥目前采用傳統(tǒng)溶劑法,通過模具擠壓成型,主要有粒狀、片狀、管狀、七孔柱狀、十九孔柱狀等結(jié)構(gòu),形狀相對(duì)簡(jiǎn)單;隨著對(duì)武器裝備遠(yuǎn)射程、高威力發(fā)展需求,對(duì)發(fā)射藥的燃燒性能也提出了更高的要求,復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高漸增性發(fā)射藥是提高火炮示壓效率的主要途徑之一[1-3]。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字文件為基礎(chǔ)、可制造出復(fù)雜形狀、與傳統(tǒng)“減材制造”完全不同的新型制造技術(shù)[4],為突破發(fā)射藥的傳統(tǒng)形狀設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)途徑[5]。在國(guó)外,荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院等采用光固化3D打印技術(shù)制備出了黑索今(RDX)+丙烯酸酯類發(fā)射藥[6-7];在國(guó)內(nèi),張洪林等[8]設(shè)計(jì)了適用于3D打印技術(shù)的多列環(huán)形空槽管形結(jié)構(gòu)整體發(fā)射藥;西安近代研究所[9]利用光固化技術(shù)初步制備出了由RDX、光敏樹脂黏結(jié)劑體系組成的RDX基發(fā)射藥。綜上所述,發(fā)射藥3D打印現(xiàn)階段主要以光固化技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究方向,其他類型3D打印技術(shù)[10]未在發(fā)射藥領(lǐng)域有深入研究。

為了解其他3D打印技術(shù)對(duì)發(fā)射藥成型的影響,促進(jìn)發(fā)射藥3D打印,本文以擠出沉積3D打印技術(shù)為中心,對(duì)發(fā)射藥擠出沉積3D打印成型過程進(jìn)行理論模型分析,確定影響發(fā)射藥的3D打印工藝參數(shù);使用某混合硝酸酯發(fā)射藥(ZY發(fā)射藥)作為原材料,研究3D打印工藝參數(shù)對(duì)發(fā)射藥尺寸以及拉伸強(qiáng)度的影響,以期對(duì)獲取發(fā)射藥最優(yōu)工藝參數(shù)提供指導(dǎo)。

1 注射器擠出模型

1.1 成型過程分析

采用擠出沉積3D打印技術(shù)打印發(fā)射藥。物料會(huì)裝入注射器針筒中并由3D打印機(jī)擠出;擠出的發(fā)射藥材料會(huì)在打印平臺(tái)上被底板加熱,進(jìn)而固化成型。因此打印平臺(tái)的底板溫度是影響發(fā)射藥成型的工藝參數(shù)之一。

1.2 發(fā)射藥流體控制方程

發(fā)射藥在注射器針筒內(nèi)流動(dòng)的過程中表現(xiàn)出連續(xù)介質(zhì)的性質(zhì),可將其看成是緊密聚集的體系,因此遵循流體力學(xué)三大守恒定律。但是,由于擠出段并未進(jìn)行加熱,只在沉積段進(jìn)行了加熱,故發(fā)射藥擠出段不涉及能量問題。

1)質(zhì)量守恒方程

式中:ρ為發(fā)射藥流體密度;t為時(shí)間;vx、vy、vz為發(fā)射藥流體在x軸、y軸、z軸方向上的速度矢量。

2)動(dòng)量守恒方程x軸方向:

式中:gx為發(fā)射藥流體重力在x軸方向產(chǎn)生的加速度分量;Rx為x軸分布式阻力;μe為發(fā)射藥的有效黏度;Tx為x軸黏性損失項(xiàng)。y軸方向:

式中:gy為發(fā)射藥流體重力在y軸方向產(chǎn)生的加速度分量;Ry為分布式阻力;Ty為y軸黏性損失項(xiàng)。z軸方向:

式中:gz為發(fā)射藥流體重力在z軸方向產(chǎn)生的加速度分量;Rz為分布式阻力;Tz為z軸黏性損失項(xiàng)。

1.3 柱塞擠出流量建模

圖1所示為注射器擠出模型。圖1中:D為注射器料筒直徑,d為噴嘴內(nèi)徑,vsp為注射器柱塞的運(yùn)動(dòng)速度,vsn為噴嘴出料速度,l為圓形噴嘴長(zhǎng)度,2α為注射器錐角。該過程中:

圖1 注射器擠出模型Fig.1 Syringe extrusion model

式中:Qsp為注射器內(nèi)部的流量;Qsn為擠出針頭處的流量。

已知流量Q=Sv,即流量=面積×速度,故(5)式可以寫成如下形式:

(6)式中,當(dāng)擠出流量一定時(shí),噴嘴內(nèi)徑d不變,物料的出料速度也不變。在打印平臺(tái)的不同打印速度條件下,物料在平臺(tái)上的擠出情況必然會(huì)有所不同,不同擠出情況進(jìn)而會(huì)影響發(fā)射藥的填充成型,因此打印速度是影響發(fā)射藥成型的工藝參數(shù)之一。

1.4 柱塞擠出壓力建模

發(fā)射藥材料是一種剪切變稀的非牛頓流體,通過錐角2α、最大直徑D、最小直徑d的過渡段時(shí),會(huì)因?yàn)檫^渡段直徑變化產(chǎn)生一定的壓力降,該壓力降可由Benbow[11]柱塞式擠壓壓力模型確定。

物料通過整個(gè)過渡段噴頭產(chǎn)生的全部壓力降Fst計(jì)算公式為

式中:K為稠度系數(shù);vst為過渡段流動(dòng)速率;n為冪律指數(shù);Q為過渡段流量。

發(fā)射藥在長(zhǎng)度為l的圓形噴嘴通道中流動(dòng)所需的壓力Fsn為

因此,注射器柱塞的擠壓力F應(yīng)大于噴嘴產(chǎn)生的所有壓力降,即

(7)式中影響Fst的參數(shù)有速度v和直徑d。同理,(8)式中影響Fsn的參數(shù)為速度v和直徑d。綜上所述,噴嘴內(nèi)徑d是影響發(fā)射藥成型的工藝參數(shù)之一。

通過以上模型可知,噴嘴內(nèi)徑、打印速度以及底板溫度3個(gè)工藝參數(shù)在3D打印過程中對(duì)3D打印成型影響較為明顯。因此,以噴嘴內(nèi)徑、打印速度、底板溫度為研究對(duì)象,打印樣品的長(zhǎng)、寬、高為尺寸數(shù)據(jù),樣品的拉伸強(qiáng)度作為力學(xué)性能數(shù)據(jù),可以確定以上3種擠出沉積工藝參數(shù)對(duì)3D打印發(fā)射藥成型質(zhì)量的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

試劑:含有硝化纖維素、RDX以及TiO2的某ZY發(fā)射藥,瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn);丙酮和乙醇均為分析純,國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

儀器:自研注射擠出3D打印機(jī),南京理工大學(xué)生產(chǎn);數(shù)顯游標(biāo)卡尺,上海九量五金工具有限公司生產(chǎn);萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),上海松墩儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

2.2 樣品制備

利用Pro/ENGINEER三維建模軟件,按照?qǐng)D2所示尺寸標(biāo)準(zhǔn)制作樣件三維模型,該樣件收縮后的一般尺寸為長(zhǎng)49.75 mm、寬11.94 mm、高1.99 mm,最終打印成型實(shí)物如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)樣件尺寸Fig.2 Standard sample size

圖3 標(biāo)準(zhǔn)樣件實(shí)物Fig.3 Standard sample

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

為了確定3D打印工藝參數(shù)對(duì)樣品尺寸的影響,基于單因素變量實(shí)驗(yàn),研究打印針頭內(nèi)徑、打印速度以及底板溫度3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)發(fā)射藥打印成型質(zhì)量的影響,各打印參數(shù)的范圍參照文獻(xiàn)[12]的研究,具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

實(shí)驗(yàn)樣品打印完成后,按照游標(biāo)卡尺的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范,使用游標(biāo)卡尺依次測(cè)量各打印樣品的長(zhǎng)度、寬度和高度,并使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量各樣品的抗拉強(qiáng)度,確定不同工藝參數(shù)條件下樣品的尺寸及拉伸數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 針頭內(nèi)徑對(duì)打印成型質(zhì)量的影響

通過控制打印速度和底板溫度工藝參數(shù),將打印速度設(shè)置為3 mm/s、底板溫度設(shè)置為35℃,以針頭內(nèi)徑作為實(shí)驗(yàn)的變化因素,在0.33 mm、0.41 mm、0.51 mm、0.60 mm和0.70 mm 5個(gè)規(guī)格中變化,測(cè)量各針頭內(nèi)徑條件下3D打印標(biāo)準(zhǔn)樣件的長(zhǎng)、寬、高尺寸參數(shù)以及拉伸強(qiáng)度,得到標(biāo)準(zhǔn)樣件結(jié)果如表2所示。

表2 不同針頭內(nèi)徑條件下的樣品結(jié)果Tab.2 3D printed samples under different needle inner diameters

由表2可知:

1)打印噴頭的針頭內(nèi)徑越大,樣品的實(shí)際長(zhǎng)度、寬度以及高度尺寸越大:當(dāng)不同內(nèi)徑針頭以同一填充速度進(jìn)行打印填充時(shí),針頭內(nèi)徑越大,出料口的截面積越大,同一時(shí)間的物料出料量就越多,導(dǎo)致在成型制造時(shí)打印件內(nèi)部填充的物料向四周緩慢膨脹堆積,使得打印樣品的長(zhǎng)、寬、高同時(shí)增加;當(dāng)針頭內(nèi)徑為0.7 mm時(shí),長(zhǎng)、寬、高尺寸最大,收縮最小。

2)發(fā)射藥樣品的抗拉強(qiáng)度也隨著打印噴頭針頭內(nèi)徑的增大而增長(zhǎng):當(dāng)針頭內(nèi)徑增加時(shí),同一路徑上會(huì)有更多的物料填充,能夠減小填充路徑之間、層與層之間在成形時(shí)出現(xiàn)的空隙等現(xiàn)象,使得層與層之間連接更加緊密;所需打印的層數(shù)會(huì)隨著針頭內(nèi)徑增大而減少,較少的層數(shù)能夠使沉積物料中的多余溶劑揮發(fā)得更快、更多,便于樣品固化;樣品中的溶劑含量減少,拉伸強(qiáng)度增大;當(dāng)針頭內(nèi)徑為0.7 mm時(shí),拉伸強(qiáng)度最大。

3.2 打印速度對(duì)打印成型質(zhì)量的影響

通過控制針頭內(nèi)徑和底板溫度工藝參數(shù),選擇規(guī)格為21G的螺口點(diǎn)膠針頭(即內(nèi)徑為0.51 mm的針頭)作為打印噴頭、底板溫度設(shè)定為35℃,以打印速度作為研究對(duì)象,使其在2～4 mm/s范圍內(nèi)間隔0.5 mm/s變化,通過測(cè)量3D打印樣品的長(zhǎng)、寬、高尺寸參數(shù),研究打印速度對(duì)樣品尺寸的影響。測(cè)量得到標(biāo)準(zhǔn)樣件的結(jié)果如表3所示。

表3 不同打印速度下的樣品結(jié)果Tab.3 3D printed samples at different printing speeds

由表3可知:

1)打印速度加快,3D打印樣品的長(zhǎng)和寬會(huì)隨之增大,而高會(huì)隨之降低:打印相同位置時(shí)針頭的高速出料情況與低速出料情況相比會(huì)減少,并且由于發(fā)射藥溶解后的物料具有一定黏性,會(huì)在外力作用下被拉伸,因此發(fā)射藥打印物料會(huì)在針頭作用下被打印噴頭拖拽,使得絲狀發(fā)射藥材料的高度直徑不斷減小,最終導(dǎo)致3D打印成型樣品的高度隨著打印速度增大而降低;發(fā)射藥物料擠出絲狀高度減小,由于體積不變,則絲狀沉積面積增大,故樣品長(zhǎng)度和寬度呈增長(zhǎng)趨勢(shì),即打印速度為3 mm/s時(shí),長(zhǎng)、寬、高尺寸相對(duì)較好,收縮相對(duì)較小。

2)發(fā)射藥樣品的抗拉強(qiáng)度隨著打印速度的增大而增長(zhǎng):隨著打印速度的增加,從打印噴頭中擠出的具有一定黏度的發(fā)射藥線狀材料被打印噴頭拖拽,造成絲線被拉伸;在絲狀材料被拉伸的過程中,發(fā)射藥線狀材料中的多余溶劑從拉伸產(chǎn)生的縫隙中快速揮發(fā)出來(lái),樣品中的溶劑含量較少;當(dāng)打印速度為4 mm/s時(shí),拉伸強(qiáng)度最大。

3.3 底板溫度對(duì)打印成型質(zhì)量的影響

通過控制針頭內(nèi)徑和打印速度工藝參數(shù),選擇規(guī)格為21G的螺口點(diǎn)膠針頭(即內(nèi)徑為0.51 mm的針頭)作為打印噴頭、打印速度設(shè)置為3 mm/s,以底板溫度作為研究對(duì)象,使其在25～45℃的范圍內(nèi)間隔5℃變化,通過測(cè)量3D打印樣品的長(zhǎng)、寬、高尺寸參數(shù),研究底板溫度對(duì)樣品尺寸的影響。測(cè)量得到標(biāo)準(zhǔn)樣件的結(jié)果如表4所示。

表4 不同溫度下的樣品結(jié)果Tab.4 3D printed amples at different temperatures

由表4可知:

1)底板溫度升高,打印發(fā)射藥樣品的長(zhǎng)度和寬度會(huì)隨之減小,而高度會(huì)隨之增加:使用相同內(nèi)徑的針頭以相同打印速度進(jìn)行打印時(shí),針頭出料量是一定的,底板溫度影響物料溶劑揮發(fā)進(jìn)而影響樣品的長(zhǎng)、寬、高尺寸;當(dāng)3D打印實(shí)驗(yàn)的底板溫度較低時(shí),發(fā)射藥物料的溫度相對(duì)較低,此時(shí)發(fā)射藥打印物料的黏度較高、流動(dòng)性能較差,沉積在打印基板上的發(fā)射藥向四周流動(dòng)擴(kuò)散的范圍較小并且物料中多余溶劑揮發(fā)速率也較慢,揮發(fā)量不多,物料膨脹現(xiàn)象也不會(huì)很明顯;在底板溫度較高情況下,沉積在打印底板上的發(fā)射藥材料溫度也會(huì)隨之升高,由于材料的溫度升高,材料中的多余溶劑揮發(fā)速率變快,揮發(fā)量變多,進(jìn)而導(dǎo)致3D打印發(fā)射藥試件的長(zhǎng)和寬隨著溫度升高而變小;由于溶劑揮發(fā)速率加快,使得發(fā)射藥材料的膨脹現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致3D打印樣品的高度隨著底板溫度升高而增大,當(dāng)?shù)装鍦囟葹?5℃時(shí),長(zhǎng)、寬、高尺寸相對(duì)較好,收縮相對(duì)較小。

2)當(dāng)打印底板溫度較低時(shí),溫度升高,打印物料中溶劑揮發(fā)效率提高,樣品溶劑含量降低,抗拉伸強(qiáng)度提高;當(dāng)打印底板溫度在較高范圍升高時(shí),打印噴頭內(nèi)擠出的發(fā)射藥材料沉積到底板上后溫度也處于較高范圍,發(fā)射藥材料內(nèi)的有機(jī)溶劑運(yùn)動(dòng)更劇烈地向外部揮發(fā),但由于底板溫度升高,打印件外表面的固化速率也加快,因此在打印件深層內(nèi)部的溶劑揮發(fā)時(shí)會(huì)被外表的固化層阻礙,揮發(fā)效率降低,打印件物料膨脹現(xiàn)象明顯,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射藥樣品的抗拉伸強(qiáng)度在較高底板溫度范圍內(nèi)抗拉伸強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。綜上所述:在25～35℃范圍內(nèi),隨著底板溫度的升高,發(fā)射藥拉伸力學(xué)性能不斷增大;在35～45℃范圍內(nèi),隨著底板溫度升高,發(fā)射藥拉伸力學(xué)性能不斷減小;當(dāng)?shù)装鍦囟葹?5℃時(shí),樣品拉伸強(qiáng)度最大。

4 結(jié)論

本文采用擠出沉積3D打印機(jī)并以某ZY發(fā)射藥為原料對(duì)3D打印工藝參數(shù)進(jìn)行研究,在不同3D打印參數(shù)下制備了實(shí)驗(yàn)樣品,研究了針頭內(nèi)徑、打印速度、底板溫度對(duì)打印樣品成型質(zhì)量的影響。得出主要結(jié)論如下:

1)在尺寸方面,當(dāng)針頭內(nèi)徑為0.7 mm、打印速度為3 mm/s、底板溫度為35℃時(shí),ZY發(fā)射藥樣品的尺寸較好。

2)在拉伸強(qiáng)度方面,當(dāng)針頭內(nèi)徑為0.7 mm、打印速度為4 mm/s、底板溫度為35℃時(shí),ZY發(fā)射藥樣品的拉伸強(qiáng)度較好。