基于3D打印TPU材料的硫氯分析儀電解池保護套的設(shè)計應用

王琛，周徵藝，張晨赟

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院，南京 210037)

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印耗材已不局限于剛性材料，柔性材料被逐漸應用于各行各業(yè)，如熱塑性聚氨酯(TPU)已成為常用的柔性3D打印耗材之一[1]。TPU具有極佳的柔韌性和回彈性、良好的耐水解性以及高紫外線穩(wěn)定性，通過與熔融沉積3D打印制造工藝的結(jié)合，TPU被廣泛應用于對柔韌性、回彈性和易加工屬性有較高要求的生產(chǎn)領(lǐng)域，特別適用于制造各類緩沖元件、醫(yī)療護具、保護套等定制類柔性產(chǎn)品。

硫氯分析儀(見圖1)是應用微庫侖滴定原理，由零平衡工作方式設(shè)計的庫侖放大器、電解池和適宜的電解液組成的一種閉環(huán)負反饋系統(tǒng)[2]。具有性能可靠、操作簡易、穩(wěn)定性好、便于安裝等特點，常用于石油化工產(chǎn)品中微量硫、氯、氮等元素的分析[3]。電解池是硫氯分析儀的核心部件，也是微庫侖滴定反應的心臟[4]。它起著將試樣裂解產(chǎn)生的被測物質(zhì)和電解液中的滴定劑發(fā)生反應的作用，由池蓋、池體和電極等部分組成[5]。

圖1 硫氯分析儀

考慮到電解池中的內(nèi)部元件、池體內(nèi)壁及進氣管道的清潔程度直接影響了電解池的作用效果[6]。為了保證測量數(shù)據(jù)的精準性，在日常維護中需要定期對電解池進行拆解清洗。電解池由高硼硅玻璃制成，質(zhì)地較脆，在拆解、清洗和安裝的過程中容易發(fā)生磕碰、跌落和傾倒等現(xiàn)象，從而導致電解池的碎裂和破壞，增加了維護成本[7]。為了解決電解池在拆解清洗過程中的防碎與保護問題，筆者設(shè)計了硫氯分析儀電解池保護套，其通過熔融沉積3D打印工藝，使用TPU柔性材料制作成型。然后應用SolidWorks simulation有限元模塊，以電解池的跌落工況為例，模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種跌落工況，對各跌落工況下有保護套和無保護套電解池池體的極限應力進行對比。結(jié)果表明，基于3D打印TPU材料的電解池保護套有效降低了電解池池體在各跌落工況下的極限應力，保護了電解池的結(jié)構(gòu)，減少了其在拆解清洗過程中碎裂和破壞的風險。

1 仿真模型建立

1.1 電解池池體模型建立

在池蓋、池體、電極等電解池零部件中，由于池體處于電解池與外界(臺面、儀器殼體等)產(chǎn)生接觸與碰撞最多的部分，最容易發(fā)生破壞，且池體是電解池中體積最大的零件，實現(xiàn)對池體的保護即實現(xiàn)了對電解池的保護，因此主要對電解池的池體進行三維建模、跌落仿真和保護套設(shè)計[8]。筆者使用SolidWorks軟件對池體進行三維建模，通過游標卡尺等測量工具對池體尺寸進行測量，在精確復制池體形態(tài)和定義池體尺寸的前提下，對池體的細節(jié)部分進行簡化，包括刪去了池體各開口端面2 mm以下的圓角和倒角等細節(jié)特征，有利于實現(xiàn)池體的網(wǎng)格劃分。SolidWorks軟件建立的池體三維模型如圖2所示，池體主要包括反應室、左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進氣管、連接管、底座等結(jié)構(gòu)。

圖2 電解池池體三維模型

1.2 保護套模型設(shè)計

對電解池與外界產(chǎn)生接觸與碰撞最多的面輪廓外邊緣進行保護套設(shè)計，設(shè)計時遵循以下原則：首先，保護套對電解池池蓋與電極等零件的安裝與拆解過程不發(fā)生干涉、不產(chǎn)生干擾；其次，保護套既要實現(xiàn)對池體結(jié)構(gòu)的保護，又不能遮擋或影響實驗進程中對滴定反應、電解液變化、電極變化和轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)等重點要素的觀察[9]；最后，保護套既要易于拆解，又要能夠?qū)崿F(xiàn)接近于固定狀態(tài)的安裝，不能有過大的松動或位移空間?；谏鲜鲈O(shè)計原則，筆者采用分區(qū)域設(shè)計的方法，對左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進氣管和底座等結(jié)構(gòu)進行保護套設(shè)計，保護套基本包絡了各結(jié)構(gòu)的面輪廓外邊緣，實現(xiàn)了貼合保護效果。

SolidWorks軟件設(shè)計的保護套三維模型如圖3所示，保護套主要包括左側(cè)臂管保護套、右側(cè)臂管保護套、進氣管保護套(橫向)、進氣管保護套(豎向)、底座保護套等部分。如圖4所示，左、右側(cè)臂管保護套結(jié)構(gòu)相同、互為對稱，厚度均為2 mm。左、右側(cè)臂管保護套上半部分的包絡面不完全閉合，開設(shè)有1 mm寬的安裝縫，扒開安裝縫后，保護套可以順利套合在左、右側(cè)臂管上，并通過TPU材料的張力實現(xiàn)緊固貼合。保護套上半部分包絡面的底部開設(shè)有定位槽，用于卡合在池體連接管(左、右側(cè)臂管與反應室的連接管)上，實現(xiàn)定位。左、右側(cè)臂管保護套下半部分為180°的包絡面，避免遮擋或影響實驗進程中對左、右側(cè)臂管中滴定反應、電解液變化、電極變化等重點要素的觀察。如圖5和圖6所示，進氣管保護套(橫向)安裝在進氣管橫向結(jié)構(gòu)的外側(cè)，進氣管保護套(豎向)安裝在進氣管豎向結(jié)構(gòu)的外側(cè)。橫向、豎向進氣管保護套厚度均為2 mm，其包絡面不完全閉合，開設(shè)有1 mm寬的安裝縫，扒開安裝縫后，保護套可以順利套合在相應結(jié)構(gòu)上，并通過TPU材料的張力實現(xiàn)緊固貼合。進氣管保護套(橫向)底部側(cè)壁開設(shè)有定位槽，用于卡合在池體連接管(進氣管與反應室的連接管)上，實現(xiàn)定位。如圖7所示，底座保護套厚度為2 mm，其內(nèi)壁輪廓尺寸與池體底座尺寸一致，直接套合在池體底座上。

圖3 保護套三維模型

圖4 左、右側(cè)臂管保護套結(jié)構(gòu)及尺寸

圖5 進氣管保護套(橫向)結(jié)構(gòu)及尺寸

圖6 進氣管保護套(豎向)結(jié)構(gòu)及尺寸

圖7 底座保護套結(jié)構(gòu)及尺寸

1.3 網(wǎng)格劃分

SolidWorks simulation中有3種網(wǎng)格劃分方式，分別為：標準劃分、曲率劃分和混合曲率劃分[10]。其中，標準劃分方式采用線性四面體作為基本單元，適合創(chuàng)建大小均勻、結(jié)構(gòu)對稱的簡單網(wǎng)格，當模型具有較小的特征結(jié)構(gòu)或異形曲面時，標準劃分方式不適用[11]；曲率劃分方式采用可變大小的四面體作為基本單元，使其在處理較小的特征結(jié)構(gòu)或異形曲面時更加靈活，網(wǎng)格劃分范圍更廣，且效率較高[12]；混合曲率劃分方式采用拋物線四面體作為基本單元，可以生成比標準和曲率劃分方式品質(zhì)更高的網(wǎng)格，但是其網(wǎng)格劃分時間較長，速度較慢[13]。對于電解池池體結(jié)構(gòu)，由于其在主要連接部位有異形曲面的過渡，因此選用曲率劃分方式進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分精細度選擇適中。網(wǎng)格化后的模型生成單元數(shù)14 023，節(jié)點數(shù)12 386，自由度數(shù)36 028，電解池池體和保護套裝配體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 電解池池體和保護套裝配體網(wǎng)格劃分

1.4 設(shè)定材料與接觸定義

筆者分析的電解池池體材料為高硼硅玻璃，保護套材料為3D打印用TPU材料。由于SolidWorks simulation默認材料庫中沒有以上產(chǎn)品構(gòu)成材料，經(jīng)查找文獻并參考實際打印用TPU材料(硬度98 A，東莞以祥三維科技有限公司)的出廠信息找到上述材料的各項性能參數(shù)(見表1)進行設(shè)定。此外，設(shè)置TPU材料為各向同性，對由熔融沉積3D打印工藝造成的TPU模型結(jié)構(gòu)各向異性問題，由于其對仿真結(jié)果影響較小，故不做探討。對電解池池體和保護套接觸類型進行定義時，參照電解池池體和保護套裝配體的實際接觸情況，分別選擇左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進氣管和底座中與池體表面接觸的對應面組，設(shè)置各面組的接觸方式為無穿透。

表1 材料性能參數(shù)表

1.5 跌落姿態(tài)

以電解池池體的跌落工況為例，電解池池體在拆解、清洗的轉(zhuǎn)運過程中可能會以不同的姿態(tài)發(fā)生跌落，依據(jù)電解池池體與臺面之間的角度，可分為橫向跌落、豎向跌落和斜向跌落，因此筆者模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種常見的跌落工況，跌落高度設(shè)置為距離工作臺面100 mm，各跌落工況的示意圖如圖9所示。

圖9 跌落工況示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水平跌落工況仿真對比

圖10和圖11分別為水平跌落工況下無保護套和有保護套電解池池體應力云圖。從圖10和圖11可見，100 mm高度水平跌落工況下，無保護套電解池參考電極所在的左側(cè)臂管與臺面接觸處發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為左側(cè)臂管上的7 129號單元，該單元的應力-時間曲線見圖12；有保護套電解池左側(cè)臂管與反應室相接的連接管根部發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為連接管上的3 735號單元，該單元的應力-時間曲線見圖12。從圖12最大應力點應力-時間曲線中可見，7 129號單元的最大應力出現(xiàn)在85.23 μs，最大應力值為92.651 MPa，3 735號單元的最大應力出現(xiàn)在85.68 μs，最大應力值為40.775 MPa。安裝有保護套的電解池池體在水平跌落工況下，比沒有安裝保護套的電解池池體的最大應力值下降了55.99%，且電解池池體的最大應力值低于材料的屈服強度70 MPa。因此，在水平跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護套有效地降低了電解池池體的極限應力，保護了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風險。

圖10 水平跌落工況下無保護套電解池池體應力云圖

圖11 水平跌落工況下有保護套電解池池體應力云圖

圖12 水平跌落工況的最大應力點應力-時間曲線

2.2 豎直跌落工況仿真對比

圖13和圖14分別為豎直跌落工況下無保護套和有保護套電解池池體應力云圖。從圖13和圖14可見，100 mm高度豎直跌落工況下，無保護套電解池進氣管與反應室連接處發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為進氣管上的10 132號單元，該單元的應力-時間曲線見圖15；有保護套電解池右側(cè)臂管(接電解陰極)與反應室相接的連接管根部發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為連接管上的6 396號單元，該單元的應力-時間曲線見圖15。從圖15最大應力點應力-時間曲線中可見，10 132號單元的最大應力出現(xiàn)在43.58 μs，最大應力值為91.532 MPa，6 396號單元的最大應力出現(xiàn)在78.62 μs，最大應力值為66.476 MPa。安裝有保護套的電解池池體在豎直跌落工況下，比沒有安裝保護套的電解池池體的最大應力值下降了27.38%，且電解池池體的最大應力值低于材料的屈服強度70 MPa。因此，在豎直跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護套有效地降低了電解池池體的極限應力，保護了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風險。

圖13 豎直跌落工況下無保護套電解池池體應力云圖

圖14 豎直跌落工況下有保護套電解池池體應力云圖

圖15 豎直跌落工況的最大應力點應力-時間曲線

2.3 傾斜45°跌落工況仿真對比

圖16和圖17分別為傾斜45°跌落工況下無保護套和有保護套電解池池體應力云圖。從圖16和圖17可見，100 mm高度傾斜45°跌落工況下，無保護套電解池底座與臺面接觸處發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為底座上的112號單元，該單元的應力-時間曲線見圖18；有保護套電解池右側(cè)臂管(接電解陰極)與反應室相接的連接管根部發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，應力最大處為連接管上的6 412號單元，該單元的應力-時間曲線見圖18。從圖18最大應力點應力-時間曲線中可見，112號單元的最大應力出現(xiàn)在79.13 μs，最大應力值為111.120 MPa，6 412號單元的最大應力出現(xiàn)在85.36 μs，最大應力值為30.345 MPa。安裝有保護套的電解池池體在傾斜45°跌落工況下，比沒有安裝保護套的電解池池體的最大應力值下降了72.69%，且電解池池體的最大應力值低于材料的屈服強度70 MPa。因此，在傾斜45°跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護套有效的降低了電解池池體的極限應力，保護了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風險。

圖16 傾斜45°跌落工況下無保護套電解池池體應力云圖

圖17 傾斜45°跌落工況下有保護套電解池池體應力云圖

圖18 傾斜45°跌落工況的最大應力點應力-時間曲線

3 電解池保護套的3D打印應用

3.1 切片處理過程

將由SolidWorks軟件導出的.STL文件導入至Cura軟件中進行切片處理。以左側(cè)臂管保護套的切片處理過程為例，初始導入的左側(cè)臂管保護套的弧形側(cè)面與成型平臺相接觸(如圖19所示)，此擺放位置容易產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)，增加了打印時間和成本。因此將三維模型沿X軸(紅色軸)方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使左側(cè)臂管保護套的頂部平面與成型平臺相接觸(如圖20所示)，此擺放位置不產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)，合理地節(jié)省了打印時間和成本。

圖19 初始擺放位置

圖20 調(diào)整擺放位置

對打印參數(shù)進行設(shè)置時，考慮到TPU材料冷卻速率較慢，較小的打印速度能使TPU材料冷卻時間變長，固化更加完全，從而使得層與層之間獲得更好的黏結(jié)效果，筆者設(shè)置打印速度為30 mm/s[14]?；爻樗俣葘τ赥PU材料的打印過程也很重要，回抽過程發(fā)生在每層打印軌跡的結(jié)束端，回抽速度過慢，熔融的絲材會在每層形成堆積并產(chǎn)生拉絲現(xiàn)象，影響了模型的表面質(zhì)量。由于TPU材料質(zhì)地柔軟，熔融狀態(tài)下具有較強的流動性，因此需要設(shè)置較大的回抽速度，避免其在打印的過程中出現(xiàn)材料堆積和拉絲現(xiàn)象，筆者設(shè)置回抽速度為80 mm/s[15]。為使熔融狀態(tài)下的TPU材料能更加緊固地沉積并黏結(jié)在打印平臺上，避免打印過程中模型因快速冷卻而產(chǎn)生的翹曲問題，熱床溫度需要調(diào)高，筆者設(shè)置熱床溫度為80 ℃[16]。綜合考慮打印時間、成本和表面質(zhì)量等因素，TPU柔性材料的層高不宜過大(導致表面質(zhì)量較差)，也不宜過小(導致打印時間和成本增加)，筆者設(shè)置打印層高為0.2 mm。其余主要打印參數(shù)設(shè)置見表2，此參數(shù)設(shè)置下，各零件打印時間總計為25 min，打印材料消耗總計為52 g，材料成本總計約為3元，其中剝離去除的支撐材料(橫向進氣管保護套部分)消耗5 g，材料利用率90%。綜上分析，3D打印TPU柔性電解池保護套成本低，制造效率高、材料利用率高。

表2 優(yōu)選打印參數(shù)設(shè)置表

3.2 3D打印過程

使用TPU柔性絲材(硬度98 A，東莞以祥三維科技有限公司)，通過熔融沉積3D打印工藝制造電解池保護套，為了保證打印質(zhì)量，對保護套各零件分開進行打印。將切片完成的G-code文件分別導入至熔融沉積3D打印機中，TPU柔性材料需要使用近程式擠出機，因為近程式擠出機送絲輪和喉管間的距離較短，能夠避免柔軟的TPU絲材纏繞堆積，造成堵頭現(xiàn)象。遠程式擠出機容易出現(xiàn)擠出機驅(qū)動齒輪壓力過大，導致線材擠出變扁并纏繞，無法擠出成型。此外，由于TPU柔性材料在打印時容易出現(xiàn)翹曲問題，在打印前需要在成型平臺上涂一層高黏度膠水，以便模型更好地黏結(jié)在成型平臺上。最終，打印完成的保護套實物效果如圖21所示，裝配完成的電解池保護套效果如圖22所示，基于3D打印TPU材料的硫氯分析儀電解池保護套表面光滑、無打印缺陷，具有較強的柔韌性、回彈性，有效的保護了磕碰、跌落和傾倒等工況下電解池的主體結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風險，且易于拆解和安裝，具有較高的應用價值。

圖21 保護套實物圖

圖22 保護套裝配圖

4 結(jié)論

綜合運用CAD，CAE和增材制造技術(shù)，通過計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計、仿真分析以及3D打印實體模型，實現(xiàn)了硫氯分析儀電解池保護套的設(shè)計與制造。應用SolidWorks simulation有限元模塊，以電解池池體的跌落工況為例，模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種跌落工況。仿真結(jié)果表明，在水平、豎直、傾斜45°跌落工況下，安裝有保護套的電解池池體比沒有安裝保護套的電解池池體的最大應力值分別下降了55.99%，27.38%，72.69%，且各跌落工況下電解池池體的最大應力值均低于材料的屈服強度70 MPa?；?D打印TPU材料的電解池保護套有效地降低了電解池池體的極限應力，保護了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風險，具有較高的應用價值。