青島理工大學(xué)：PDMS/SiC功能梯度復(fù)合材料3D打印主動(dòng)混合噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化

作者：李傳敏，楊建軍，李洋，王洛唯（青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）
通訊作者：李瑞麗，副教授，從事清潔油品生產(chǎn)的教學(xué)與研究

功能梯度復(fù)合材料是指材料中的組分從一端到另一端呈現(xiàn)連續(xù)變化或準(zhǔn)連續(xù)變化的材料，在組織和骨骼結(jié)構(gòu)工程支架、光學(xué)器件、飛機(jī)高溫下陶瓷金屬隔熱罩、可拉伸天線和軟機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。增材制造是空間內(nèi)逐點(diǎn)、逐行或逐層打印的1種工藝，可以打印獨(dú)特、復(fù)雜的形狀。

通過3D打印工藝制備功能梯度復(fù)合材料，主要包括多噴頭打印和單噴頭打印。Skylar⁃Scott等利用多噴頭打印黏彈性墨水制備梯度結(jié)構(gòu)，宋銀寶等利用多噴頭打印PDMS/SiC功能梯度復(fù)合材料，多噴頭打印需提前配制不同濃度的材料并灌入多個(gè)打印噴頭中，制造過程中需打印噴頭之間相互配合并頻繁切換。單噴頭打印包括被動(dòng)混合打印和主動(dòng)混合打印2種制備方式。被動(dòng)混合（靜態(tài)混合）打印利用特殊的通道幾何形式反復(fù)分割、拉伸、扭曲，增進(jìn)流體之間的融合。Idaszek等和Zhou等利用被動(dòng)混合打印制備了低黏度水凝膠復(fù)合材料。被動(dòng)混合打印方法能夠滿足低黏度流體材料的混合，若流體材料的黏度不斷增大，將出現(xiàn)混合不均勻等問題，嚴(yán)重影響材料的混合及使用性能。針對(duì)較高黏度材料，通過主動(dòng)混合進(jìn)行打印，利用槳葉、螺桿的攪拌作用，可以有效改善混合效果并提高工作效率。Ren等利用主動(dòng)混合打印，使用較高黏度的異氰酸酯（紅、藍(lán)兩色）材料，制備了具有梯度結(jié)構(gòu)的功能材料。關(guān)于高黏度復(fù)合材料的混合效率及效果有待進(jìn)一步提高。

PDMS溶液具有黏度高、易加工成形、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛，尤其在微流控、生物醫(yī)療等方面；SiC粉末具有無毒、溶解度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，常用作耐火、耐磨材料；PDMS和SiC混合液是典型的高黏度復(fù)合材料。本文以PDMS和SiC混合物為例，提出了1種用于打印高黏度功能梯度復(fù)合材料的雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)主動(dòng)混合噴頭，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)混合效果的影響規(guī)律。

噴頭裝置與仿真流程（節(jié)選）
主動(dòng)混合噴頭裝置
主動(dòng)混合噴頭打印裝置由伺服電機(jī)、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、螺桿、混料腔、柱塞泵（1、2）、儲(chǔ)料筒（1、2）、打印平臺(tái)、入口（1、2）、打印噴頭（出口）等部件構(gòu)成，如圖1所示。主動(dòng)混合裝置工作時(shí)，電機(jī)通過聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸，將扭矩傳遞給螺桿。柱塞泵推動(dòng)材料，分別從左右兩端的入口擠入，經(jīng)螺桿充分?jǐn)嚢杌旌虾螅瑥拇蛴�噴頭擠出。

圖1  主動(dòng)混合噴頭裝置

建模與網(wǎng)格劃分
混合時(shí)2種材料從兩側(cè)入口流入，經(jīng)混料腔內(nèi)螺桿充分?jǐn)嚢杌旌虾罅鞒�，核心部件可簡化為混料腔、螺桿、出口、入口。其中2個(gè)入口直徑相同，入口直徑為2 mm，出口直徑為0.5 mm。對(duì)核心部件進(jìn)行建模，將其導(dǎo)入workbench的Fluid Flow（Fluent）中，進(jìn)行流體域的抽取。將模型簡化后導(dǎo)入mesh模塊，打開捕獲臨近度，調(diào)整臨近間隙因數(shù)，此步驟可提高網(wǎng)格質(zhì)量。在模擬過程中流體域相對(duì)較小，且流動(dòng)情況較復(fù)雜，因此不考慮邊界層，采用網(wǎng)格加密的方式來達(dá)到目的，最后生成整體網(wǎng)格。

求解設(shè)置
求解設(shè)置是將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，對(duì)該過程中的材料屬性、邊界條件、網(wǎng)格交界面、求解方法、運(yùn)行計(jì)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理。設(shè)置仿真參數(shù)時(shí)需考慮重力，設(shè)置重力加速度值為-9.81。在選擇黏性模型時(shí)，由于流體流動(dòng)過程屬于復(fù)雜幾何流動(dòng)問題，且Realizable型k⁃epsilon模型具有很好的收斂速率和相對(duì)較低的內(nèi)存要求，因此選擇Realizable型k⁃epsilon湍流模型。部件運(yùn)動(dòng)方式選擇單參考系模型，因其功能齊全，對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)只需要設(shè)置運(yùn)動(dòng)部件速度和壁面速度。計(jì)算量較小，且效率高，可以精確描述運(yùn)動(dòng)結(jié)果。設(shè)置時(shí)間步數(shù)、時(shí)間步長、最大迭代步數(shù)，初始化之后，進(jìn)行仿真計(jì)算。

結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合效果的影響
通過流體仿真分析確定主動(dòng)混合噴頭螺桿結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探究該結(jié)構(gòu)長度、間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合效果的影響。其中，轉(zhuǎn)速為60 r/min，入口速度為1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。

2.1不同螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果的影響
4種常用微尺度混合結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格如圖2所示。a為單螺旋結(jié)構(gòu)、b為單向雙螺旋結(jié)構(gòu)、c為單向四螺旋結(jié)構(gòu)、d為雙向錯(cuò)位雙螺旋結(jié)構(gòu)。其中，螺桿長度為16 mm，螺桿與腔體的單側(cè)間隙為0.3 mm。根據(jù)已有的截面形狀和螺旋線數(shù)，提出并設(shè)計(jì)了1種雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)（e）。

圖2  螺桿結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

分別對(duì)5類螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得出混合云圖，如圖3所示，其中a為單螺旋結(jié)構(gòu)、b為單向雙螺旋結(jié)構(gòu)、c為單向四螺旋結(jié)構(gòu)、d為雙向錯(cuò)位雙螺旋結(jié)構(gòu)、e為雙向四螺旋結(jié)構(gòu)。其中，縱截面可表示整體混合效果，靠近出口處位置最能反映最終混合效果，因此取每種結(jié)構(gòu)的縱截面與靠近出口處橫截面進(jìn)行觀察。

圖3  各類螺桿縱截面、橫截面界面密度混合云圖

通過分析對(duì)比圖3中縱截面云圖中的單、雙向結(jié)構(gòu)，可看出雙向結(jié)構(gòu)的混合效果普遍優(yōu)于單向結(jié)構(gòu)，且雙向結(jié)構(gòu)混合均勻所需長度要少1~2個(gè)螺距。在混合均勻的前提下，螺桿越短，腔體體積越小，混合效率越高。雙向結(jié)構(gòu)（d與e）之間進(jìn)行比較后者混合更為均勻，雙向四螺旋結(jié)構(gòu)在整個(gè)螺桿長度內(nèi)流體被切割重組次數(shù)更多，混合更為均勻，因此選定雙向四螺旋結(jié)構(gòu)。

2.2不同螺桿長度對(duì)混合效果的影響
螺桿長度是影響混合效果的1個(gè)主要因素。為探究不同螺桿長度對(duì)混合效果的影響，分別選取8、12、16 mm長的螺桿進(jìn)行仿真分析，如圖4所示，其中螺距為4 mm，螺桿與腔體的單側(cè)間隙為0.4 mm。對(duì)比不同長度螺桿在4 mm處橫截面混合效果，螺桿總長度越長，混合效果越好，通過分析其內(nèi)部受力可知，在相同螺桿結(jié)構(gòu)下，螺桿長度越長腔體阻力越大，內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)越復(fù)雜，混合效果越好。總長8 mm螺桿在末端混合不均勻，總長12 mm與16 mm螺桿末端混合較為均勻。為同時(shí)滿足混合均勻及快速響應(yīng)，需要盡可能減小的腔體尺寸，選定螺桿長度為12 mm。

圖4  不同螺桿長度下的界面密度混合云圖

2.3模擬油吸附脫氯條件的優(yōu)化
螺桿與腔體的間隙會(huì)對(duì)材料的混合效果與腔體體積產(chǎn)生影響。腔體內(nèi)徑與螺桿最大外徑單側(cè)間隙用φ表示，φ的最大值不宜過大，否則流體材料將會(huì)從間隙直接流出，影響混合效果，因此，取間隙分別為0.2 、0.4、0.6、0.8 mm進(jìn)行探究，分析云圖如圖5所示。通過對(duì)比圖5可知，4種不同間隙的混合效果中0.2 mm較為均勻，0.4、0.6、0.8 mm較差。因此，選定螺桿與腔體內(nèi)壁的間隙為0.2 mm時(shí)，混合效率高且腔體體積較小。

圖5  不同間隙下的界面密度混合云圖

在探究主動(dòng)混合噴頭螺桿結(jié)構(gòu)對(duì)混合性能影響規(guī)律中，對(duì)不同螺桿形狀、不同螺桿長度、不同間隙等因素進(jìn)行分析，選定雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)，并確定螺桿長度為12 mm、間隙為0.2 mm。

工藝參數(shù)對(duì)混合效果的影響
確定主動(dòng)混合噴頭的螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)后，需進(jìn)一步探究轉(zhuǎn)速、入口速度等工藝參數(shù)對(duì)混合效果的影響規(guī)律，以及在不同材料配比下的混合是否均勻。

3.1轉(zhuǎn)速對(duì)混合效果的影響
轉(zhuǎn)速（即攪拌速度）是影響混合效果的1個(gè)主要因素。轉(zhuǎn)速過慢，混合達(dá)不到效果；轉(zhuǎn)速過快，對(duì)螺桿強(qiáng)度、電機(jī)功率等要求更高。為合理選取轉(zhuǎn)速值，取0、30、60、90、120 r/min不同轉(zhuǎn)速，如圖6所示，對(duì)混合效果進(jìn)行仿真分析探究，其中入口速率1 mm/s，兩入口材料體積比為1/1。根據(jù)圖6縱截面的混合云圖可得，轉(zhuǎn)速越高混合效果越好；當(dāng)轉(zhuǎn)速為0 r/min時(shí)，混合效果較差。在30 r/min轉(zhuǎn)速下，主動(dòng)混合優(yōu)勢顯現(xiàn)，混合效率大幅度提升。當(dāng)轉(zhuǎn)速≥60 r/min時(shí)，已均勻混合，因此實(shí)際打印中轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于60 r/min。螺桿轉(zhuǎn)速越快，其所受扭矩越大，對(duì)螺桿強(qiáng)度要求越高，此外高轉(zhuǎn)速螺桿因受較大阻力而摩擦產(chǎn)生熱量，影響PDMS性能，為避免上述問題，綜合考慮選擇螺桿的轉(zhuǎn)速為60 r/min。

圖6  不同轉(zhuǎn)速下的界面密度混合云圖

3.2入口速度對(duì)混合效果的影響
入口速度是影響混合效果的另一個(gè)主要因素，在實(shí)際模型中柱塞泵推動(dòng)料筒擠出材料，仿真模擬中采用速度入口、壓力出口的分析方式，入口速度決定流體在混合腔內(nèi)停留的時(shí)間及混合效率。分別為入口速度為0.5、1、2、4 mm/s時(shí)的混合云圖，如圖7所示，其中兩入口材料體積比為1/1。分析圖7可以得出，入口速度越慢，混合效果越好。入口速度越慢，流體在腔體內(nèi)停留時(shí)間增加，流體被切割重組的次數(shù)也隨之增加。若入口速度低，打印速度也隨之降低，打印時(shí)間增加。因此，需要在滿足混合效果的前提下盡可能提高入口速度。綜合考慮，選擇入口速度為1 mm/s。

圖7  不同入口速度下的界面密度混合云圖

3.3不同材料配比下的混合效果
在主動(dòng)混合過程中，為確保單位時(shí)間內(nèi)打印的擠出量相同，兩入口流量之和需為定值，若入口1處流量增加（或減少），入口2處流量則需要相應(yīng)減少（或增加），即兩入口流量值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)總流量值一定時(shí)，不同材料配比下的混合效果是否滿足打印要求，需要進(jìn)一步探究。
前文探究2種材料入口比例相同下的混合效果，即材料1（100 %PDMS）和材料2（50 %PDMS+50 %SiC混合液）各占總體積50 %。現(xiàn)探究材料1體積分?jǐn)?shù)為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %體積分?jǐn)?shù)下觀察仿真結(jié)果，分別觀察縱截面云圖、橫截面云圖、各混合比的標(biāo)準(zhǔn)色譜，如圖8所示。其中，在不同材料配比下，混合均勻后的濃度不同，云圖也將呈現(xiàn)不同顏色。通過圖8觀察到各材料配比下的混合橫截面云圖，均可混合均勻，證明雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)在此結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)下，可以混合不同比例的材料，即可以在較大材料濃度范圍內(nèi)進(jìn)行有效混合。

圖8  不同材料配比下的界面密度混合云圖及標(biāo)準(zhǔn)色譜

試驗(yàn)驗(yàn)證
螺桿結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖9所示。將PDMS和固化劑按10/1質(zhì)量比完全混合，將混合后的PDMS分成2份，1份作為材料1留用，另一份和SiC按1/1質(zhì)量比完全混合作為材料2，將2份材料放入真空干燥箱，真空抽取30 min后，將材料灌入柱塞泵中備用。

圖9  螺桿結(jié)構(gòu)實(shí)物照片

使用Solidwork繪制圖形，保存成stl格式，導(dǎo)入Simplify 3D中進(jìn)行切片處理，設(shè)置打印周期0.5 mm、噴頭移動(dòng)速度10 mm/s、噴頭擠出速度1 mm/s后開始打印。打印功能梯度樣件如圖10所示，樣件打印方向?yàn)閺淖蟮接遥�材料擠出過程中材料1體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，分別為20 %、40 %、50 %、60 %、80 %，通過數(shù)碼顯微鏡觀察到結(jié)構(gòu)中不同組分SiC顆粒分布均勻，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料的有效混合。

圖10  打印樣件及其微觀形貌

結(jié)論
（1）通過仿真分析對(duì)比了多種螺桿結(jié)構(gòu)的混合效果，提出了1種雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)主動(dòng)混合噴頭，可有效混合PDMS/SiC高黏度復(fù)合材料；基于流體仿真分析了螺桿長度、螺桿與腔體內(nèi)徑間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合效果的影響，得出1組有效提高混合效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺桿長度為12 mm、螺桿與腔體間隙為0.2 mm；對(duì)混合過程中轉(zhuǎn)速、材料入口速度等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了轉(zhuǎn)速為60 r/min、入口速度為1 mm/s等打印參數(shù)，同時(shí)仿真分析了該主動(dòng)混合噴頭針對(duì)不同體積配比下的復(fù)合材料均可混合均勻。
（2）通過制備樣件，驗(yàn)證了雙向四螺旋螺桿結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)PDMS/SiC功能梯度復(fù)合材料的有效混合。