挤出式3D打印陶瓷梯度材料动态混合过程数值模拟

摘要

针对微流挤出工艺下制备陶瓷梯度材料引起的混合难题,依托混合挤出核心功能部件——多组分主动混合机构,结合理论分析、ANSYS仿真模拟与打印实验,探究了螺杆结构下混料腔内多组分材料混合机制及其规律.首先,对流体流动进行理论分析;其次,对料腔内流体流场进行仿真分析,定义了该工艺下材料混合时间的构成;最后以螺杆转速、材料进给量、进料顺序3个影响因素作为研究对象,通过组分输运模型进行模拟分析,研究了上述3个因素对多材料混合过程的影响及其规律.结果表明:在变径螺杆作用下腔内压力沿着挤出方向阶跃式升高,口模附近迅速泄压;腔内流体速度沿挤出方向递增,在螺槽的左、右底角部位会形成材料滞留区.螺杆转速的变化对内部流体的流动影响大于进给量;通过混合过程模拟结果发现螺杆转速的增加有利于提高平面混合均匀性,对腔内流体的平均停留时间影响不大;增大进料量不仅缩短了混料腔内流体停留时间,还降低了螺杆的轴向混合能力;材料过渡时间随着料腔内高黏度流体体积分数的增加而逐渐增加.最后,打印锯齿形梯度渐变部件,利用MATLAB软件进行图像处理,验证了理论分析与数值模拟研究的合理性与正确性.该研究为了解挤出式3D打印陶瓷梯度材料混合过程的机理奠定了基础,并为后续混料设备的结构改进提供了理论支持.