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微流挤出成形工艺挤出胀大机理研究

机械设计与制造 2022年第5期375卷 132-137页

作者：孔劲松孙文彬周婧段国林河北工业大学机械工程学院天津300130 天津科技大学机械工程学院天津300222

微流挤出成形是陶瓷快速成形领域的一种新兴工艺,由微流挤出成形工艺和3D打印技术结合形成的陶瓷浆料3D打印,具有陶瓷成形过程简单,成本低的优势。在陶瓷浆料3D打印中,陶瓷浆料挤出过程存在挤出胀大现象,导致挤出丝的形状发生改变,降低... 详细信息

微流挤出成形是陶瓷快速成形领域的一种新兴工艺,由微流挤出成形工艺和3D打印技术结合形成的陶瓷浆料3D打印,具有陶瓷成形过程简单,成本低的优势。在陶瓷浆料3D打印中,陶瓷浆料挤出过程存在挤出胀大现象,导致挤出丝的形状发生改变,降低了陶瓷产品的成形精度。通过ANSYS软件对不同流道结构下陶瓷浆料挤出过程进行模拟分析,对不同流道下陶瓷浆料挤出胀大情况进行对比,并对挤出压力和挤出口挤出速率进行模拟计算。结果表明:影响陶瓷浆料挤出胀大的因素有陶瓷浆料在流道截面变化处的弹性效应以及在挤出头内的弹性回复,最后进行陶瓷浆料挤出实验对仿真结果进行验证。

关键词：陶瓷浆料3D打印微流挤出成形挤出胀大模拟分析

微流挤出成形对ZrO2陶瓷力学性能影响机制研究

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微流挤出成形对ZrO2陶瓷力学性能影响机制研究

作者：池尚才河北工业大学

学位级别：硕士

随着科技的进步和社会的发展,先进陶瓷已经成为社会生产中一种非常重要的新型材料。ZrO陶瓷是一种新型陶瓷,由于它十分优异的物理、化学性能,它不仅成为了科研领域的研究热点,而且在实际生产中也得到了广泛应用。传统的ZrO陶瓷成形工艺... 详细信息

随着科技的进步和社会的发展,先进陶瓷已经成为社会生产中一种非常重要的新型材料。ZrO陶瓷是一种新型陶瓷,由于它十分优异的物理、化学性能,它不仅成为了科研领域的研究热点,而且在实际生产中也得到了广泛应用。传统的ZrO陶瓷成形工艺通常先对坯体预烧结,然后再通过复杂的机械加工和二次烧结得到成品,不但过程繁琐,而且机加工的过程中还会浪费材料。微流挤出成形是一种增材制造技术,在陶瓷加工成形方面具有高度的柔性。本文将微流挤出成形技术应用于ZrO陶瓷的成形制造,并对陶瓷试样的力学性能影响因素进行系统分析。首先,通过实验研究了pH值及分散剂添加量等因素对ZrO陶瓷浆料分散稳定性的影响规律并得到最优含量;同时结合微流挤出成形工艺的特点,确定了陶瓷浆料最佳的固含量,最终得到了适合于该工艺的浆料配方。其次,将理论计算与工艺实验相结合,确定ZrO陶瓷浆料沉积丝材喷射的最佳成形工艺参数。最后,选用无压烧结对所制备的ZrO陶瓷坯体进行烧结,通过材料表征和力学性能测试,分析探讨ZrO陶瓷成形工艺对其力学性能的影响机制。研究结果表明在最佳工艺条件下,采用微流挤出成形技术制备的ZrO陶瓷,其微观组织致密、相组成合理,抗弯强度可达935MPa。

关键词：微流挤出成形氧化锆陶瓷浆料力学性能

基于微流挤压工艺的SOFC一体化成形过程模拟及参数优化

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基于微流挤压工艺的SOFC一体化成形过程模拟及参数优化

作者：王晓天河北工业大学

学位级别：硕士

20世纪70年代以来，传统的矿物燃料能源出现危机，世界各国都在寻找其他的新型能源来替代石油、煤炭等燃料。同时，为了应对越来越严峻的环境问题，在世界范围内出现了发展高效、可再生、绿色能源产品的高潮。这就为固体氧化物燃料电池(... 详细信息

20世纪70年代以来，传统的矿物燃料能源出现危机，世界各国都在寻找其他的新型能源来替代石油、煤炭等燃料。同时，为了应对越来越严峻的环境问题，在世界范围内出现了发展高效、可再生、绿色能源产品的高潮。这就为固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)的出现创造了发展的环境与机会。 SOFC是一种全固态的能源转化装置，这种电池的阳极、阴极与电解质层的原材料均是非金属陶瓷粉末，工作温度为600℃000℃。在高温下，SOFC具有很高的能量转化率，并且是环境友好、燃料使用性强、拥有很长使用寿命的能源供给装置。目前在世界范围内，很多国家都在开展SOFC的研究。本文首先对SOFC的国内外发展现状进行了介绍，并对SOFC的结构、原理、材料等方面进行了简要的分析。然后分析SOFC发展中的瓶颈问题，从单元构件的制备角度出发，选择微流挤出成形方法进行电池体的制备，探索了新型制备工艺在SOFC中的应用前景。其次，对微流挤出工艺方法的理论与应用进行研究，分析其在陶瓷塑性成形中的应用。包括分析陶瓷浆料的流变学性能及其对挤出流动的影响;建立并分析浆料的粘性流体力学基本方程，包括连续性方程、运动方程与能量方程;建立成形浆料的粘度模型，对影响微流挤出精密度的因素进行分析，为之后对成形过程的分析与优化提供理论支撑。最后，使用ProE与VisualC++建立参数化的三维挤出模型，以建模时划分的挤出模头功能段为对象，用有限元分析工具ANSYSFLOTRAN，分析挤出模头引流段、分流段、压缩段和平直段对挤出流动的影响，再根据有限元分析之后得到的结果，使用APDL参数化语言，对工艺参数与挤出机的几何结构进行优化，得到最终结果。

关键词：固体氧化物燃料电池微流挤出成形三维建模流变学有限元

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基于微流挤出工艺的陶瓷成形误差研究

基于微流挤出工艺的陶瓷成形误差研究

作者：孔劲松河北工业大学

学位级别：硕士

陶瓷材料因具有优异的性能,在多个行业领域内得到了广泛地应用。随着陶瓷材料在各个行业领域内被广泛使用,陶瓷产品在加工制造中的问题也随之出现:在一些行业领域内,陶瓷产品具有比较复杂的外形,传统的陶瓷生产加工模式难以适应。针对... 详细信息

陶瓷材料因具有优异的性能,在多个行业领域内得到了广泛地应用。随着陶瓷材料在各个行业领域内被广泛使用,陶瓷产品在加工制造中的问题也随之出现:在一些行业领域内,陶瓷产品具有比较复杂的外形,传统的陶瓷生产加工模式难以适应。针对于此种情况,将增材制造技术应用于陶瓷生产制造领域中的设想出现,陶瓷增材制造技术应运而生。微流挤出成形就是陶瓷增材制造技术中适用于陶瓷浆料(或膏体)的一种新兴工艺。目前微流挤出成形工艺的不足在于陶瓷坯体的打印成形精度较低,成形后仍需要二次加工。在微流挤出成形工艺中,影响和引起陶瓷坯体成形误差的主要因素有陶瓷微流挤出3D打印设备的打印误差和陶瓷浆料的挤出胀大现象所引起的挤出丝堆积误差。目前陶瓷增材制造中对陶瓷产品成形质量的研究主要集中于提高其致密度,对陶瓷坯体打印成形的误差研究比较有限。针对以上存在的问题,提出对陶瓷坯体微流挤出的成形误差进行研究。本文对陶瓷坯体微流挤出成形误差的研究从陶瓷微流挤出3D打印设备的打印误差和陶瓷浆料挤出胀大现象引起挤出丝的误差两方面展开,主要研究内容如下:(1)陶瓷微流挤出3D打印设备误差分析。应用多体理论对陶瓷微流挤出3D打印设备的打印误差进行理论分析并建立打印设备的几何误差模型。(2)陶瓷浆料挤出胀大误差分析。应用有限元分析的方法对陶瓷浆料在打印过程中的挤出胀大现象进行模拟分析,探究浆料挤出胀大现象和打印工艺参数间的关系。(3)打印设备误差检测和陶瓷浆料微流挤出实验。对陶瓷微流挤出3D打印设备进行误差检测,进行陶瓷浆料的微流挤出实验和陶瓷坯体打印实验,对论文的理论分析内容进行实验验证。(4)陶瓷坯体成形精度的优化。结合对陶瓷坯体打印误差的分析,对提高陶瓷坯体微流挤出成形精度的方法进行研究分析。

关键词：微流挤出成形几何误差模型挤出胀大误差检测成形精度

基于陶瓷浆料流变特性的3D打印挤出装置的优化设计

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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：王中良河北工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：微流挤出成形挤出压力结构优化压力模型正交试验

基于微流挤出的3D打印氧化锆陶瓷烧结性能研究

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基于微流挤出的3D打印氧化锆陶瓷烧结性能研究

作者：陈彦涛河北工业大学

学位级别：硕士

氧化锆陶瓷由于强度高、韧性高、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好、与牙齿颜色接近等特点,被广泛用作齿科修复材料。传统陶瓷制造工艺加工成本高、周期长,限制了氧化锆在齿科修复领域的应用,而陶瓷3D打印技术的兴起与发展克服了这一难点... 详细信息

氧化锆陶瓷由于强度高、韧性高、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好、与牙齿颜色接近等特点,被广泛用作齿科修复材料。传统陶瓷制造工艺加工成本高、周期长,限制了氧化锆在齿科修复领域的应用,而陶瓷3D打印技术的兴起与发展克服了这一难点。微流挤出成形是一种挤出陶瓷3D打印技术,具有定制化、快速成形和设备成本低等优点,但挤出3D打印陶瓷零件存在致密度低和性能较差等问题。烧结是制备高性能陶瓷的关键,好的烧结工艺可以使材料获得优异的性能。本文基于微流挤出成形工艺制备了氧化锆陶瓷坯体,并对其进行系统的烧结研究,旨在获得较优烧结工艺,为利用微流挤出成形工艺制造氧化锆陶瓷零件和陶瓷义齿提供借鉴。本文主要研究内容如下:(1)研究烧结温度对氧化锆陶瓷烧结性能的影响,并分析影响机理。制备固含量为58 vol%的水基氧化锆陶瓷浆料,经打印成形后在1350～1600°C无压烧结,对不同温度下烧结样品的性能进行测试。采用单因素变量法研究温度对氧化锆陶瓷烧结性能的影响规律,并结合经典固相烧结理论分析其影响机理。实验发现,在1550°C烧结后微流挤出成形氧化锆陶瓷致密度高、性能较好。(2)研究氧化锆陶瓷烧结性能随固含量的变化,并进行理论分析。制备不同固含量水基氧化锆陶瓷浆料(52～60 vol%),将各固含量打印坯体在1550°C无压烧结后进行性能测试。通过单因素变量法研究氧化锆陶瓷烧结性能随固含量的变化规律,并结合经典固相烧结理论和流体力学理论进行理论分析。实验发现,固含量为58 vol%时可获得综合性能较好的微流挤出成形氧化锆陶瓷。(3)基于正交实验优化氧化锆陶瓷的烧结性能。以固含量、烧结温度、保温时间和升温速率为四因素设计正交实验,以力学性能为主要指标,采用极差分析法研究各因素对指标的影响程度,进而确定较优工艺参数。实验发现,烧结温度对微流挤出成形氧化锆陶瓷性能影响最大,固含量次之,升温速率最小。对较优工艺参数下烧结样品性能进行评估,发现微流挤出成形工艺制备的氧化锆陶瓷致密度高、性能较好且更为均衡,满足生物医学对齿科陶瓷材料的力学性能要求。

关键词：氧化锆陶瓷微流挤出成形无压烧结烧结性能正交实验