供稿人:李賽、魯中良 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-11-18
磷酸鹽具有機(jī)械強(qiáng)度高、高溫?zé)岱€(wěn)定性好、成本低等優(yōu)異性能，是一種低介電常數(shù)陶瓷，應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)和波透明應(yīng)用。然而，由于磷酸鹽的低韌性和成型效率低，其適用性受到了限制。纖維增強(qiáng)包括短纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)，是陶瓷材料常用的增韌方法。連續(xù)纖維增強(qiáng)被認(rèn)為是陶瓷材料最理想的增韌方法，其增韌效果較好。制備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷的傳統(tǒng)工藝是浸漬法，由于磷酸鹽溶液的酸性，浸漬法會(huì)對(duì)纖維造成傷害，不利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成。3D打印在理論上可以應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成型，成型后幾乎無需機(jī)械加工，逐層堆疊材料，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，縮短生產(chǎn)周期。
該團(tuán)隊(duì)[1]首次提出了一種基于DIW的3D打印方法，利用油墨的粘性和摩擦力作為連續(xù)纖維擠壓的動(dòng)力源，集成制造連續(xù)纖維增強(qiáng)波透明陶瓷。為了保證纖維的順利連續(xù)的擠壓，同軸針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和油墨的流變性能的調(diào)節(jié)成為了這項(xiàng)工作的核心問題。連續(xù)的二氧化硅纖維作為增強(qiáng)的階段,和二氧化硅/磷酸鹽材料作為基質(zhì)材料,通過噴嘴的設(shè)計(jì),以及內(nèi)部流場(chǎng)的有限元仿真,綜合成型連續(xù)二氧化硅纖維增強(qiáng)二氧化硅/磷酸復(fù)合材料的最終實(shí)現(xiàn)。
連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印工藝原理圖如圖1所示。3D打印過程是在一個(gè)改進(jìn)的商用3D打印機(jī)(Ultimaker extend 2+)在室溫下進(jìn)行的。打印前，將連續(xù)的纖維穿過纖維通道，將陶瓷油墨裝入注射器，注射器與配藥機(jī)(Nordson EFD)和氣泵相連。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維和陶瓷油墨的一體化成型，設(shè)計(jì)并制作了一種同軸針結(jié)構(gòu)。3D打印時(shí)，將油墨擠壓到打印針中，將纖維包裹在油墨中，最終形成如圖所示的核殼結(jié)構(gòu)。
圖1 3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷工藝原理圖
圖2為同軸針內(nèi)流體的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，在針頭上部施加均勻穩(wěn)定的壓力，流體的流動(dòng)速度和剪切速率呈現(xiàn)一定的規(guī)律。當(dāng)陶瓷墨水被推進(jìn)到打印針頭與纖維通道的交叉處時(shí)，沿打印針頭軸向的剪切速率和速度都有所增加。在打印針頭出口處，流速和剪切速率最大。在這種情況下，陶瓷墨水可以完全覆蓋連續(xù)的纖維，并提供足夠的強(qiáng)度將纖維帶出來。由圖2(a)和圖2(c)可知，流速和剪切速率隨打印針頭直徑的增大而增大。顯然，在3D打印過程中，打印針頭直徑越大，連續(xù)的纖維擠壓越平滑?？紤]到針徑對(duì)成型精度的影響，選擇直徑1.2 mm的打印針頭，纖維通道外徑0.51 mm。從圖2(b)和圖2(d)中可以得出類似的結(jié)論，即打印針頭與纖維通道的交點(diǎn)越低，越容易驅(qū)動(dòng)連續(xù)纖維。考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性，將出口位置高度設(shè)置為5mm，這是本次工作能達(dá)到的最小高度。
圖2 同軸針內(nèi)部流體的仿真結(jié)果:(a, c)打印針的不同直徑，(b, d)打印針與纖維通道的不同相交位置