基于陶瓷浆料流变特性的3D打印挤出装置的优化设计

作     者：王中良 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段国林

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微流挤出成形 挤出压力 结构优化 压力模型 正交试验 

摘      要：陶瓷材料具有良好的化学和物理性能以及成本低、无污染等优越性,目前已在多种领域得到了广泛应用。然而不同的领域对于陶瓷性能和结构的要求各不相同,许多领域存在着陶瓷零件制作困难的问题。传统成形方法成本高、开发周期长,不能满足快速加工和个性化定制的市场需求。3D打印技术可以很好地解决陶瓷制件制造过程中存在的上述问题。但是,目前用于成形陶瓷制件的材料挤出成形工艺普遍存在着打印过程不稳定、成形精度较差等不足之处,这些问题通常与挤出过程中压力过大有关。本文在陶瓷浆料流变特性的基础上构建了总挤出压力的数学模型,以减小挤出压力为目的,设计挤出装置的通用结构,并对结构参数进行了优化组合,优化后的挤出装置有效降低了挤出压力、提高了成形精度。本研究对相关数学模型的构建、挤出压力的预测和结构的优化设计具有一定的指导性意义。主要研究内容如下:(1)研究氧化锆陶瓷浆料的流变特性。针对氧化锆陶瓷浆料的流变特性问题,在分析流体种类的划分依据和流动行为模型适用性的前提下,采用试验的方法测量氧化锆陶瓷浆料的流变曲线,通过分析流变曲线确定氧化锆陶瓷浆料的流体类型和适用的流动行为模型。(2)设计3D打印挤出装置的通用结构,研究结构参数对浆料的流动速度分布和挤出压力大小的影响规律。分析浆料在挤出过程中存在的应力形式和压力形成过程,设计3D打印挤出装置的通用结构。采用数值模拟的方法研究了挤出装置的结构参数对浆料的流动速度分布和挤出压力大小的影响规律。(3)构建浆料在挤出过程中的压力模型,优化计算得出挤出装置的最优结构参数组合。基于Benbow-Bridgwater模型和幂律模型,构建浆料在挤出过程中的压力模型。采用试验和仿真的方法得到挤出装置结构参数的边界条件。以计算挤出压力最小值为目标,构建挤出装置结构优化模型,利用MATLAB求解,最终得出挤出装置的最优结构参数组合。(4)验证优化结果的有效性。按照正交试验的设计方法和步骤设计试验,通过对比理论压力和实际压力,验证压力模型的准确性;通过对比使用不同结构参数组合的挤出装置打印的陶瓷零件的表面形貌,验证优化结果的有效性。