基于修正LBM的陶瓷浆料直写挤出装置的优化

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浆料直写成型技术(DIW),以其优异的成型质量及便利的工艺环境逐渐成为增材制造领域内的关键工艺之一,已经在车辆、机械、生物医疗和航天航空等领域广泛应用,但目前尚未形成统一、成熟的工艺理论体系。当DIW工艺应用于陶瓷材料时,与传统加工方式相比,DIW陶瓷成型具有高效便捷,成型精度好以及绿色环保等优点,但目前实际应用中也存在一些不足,如陶瓷浆料未形成统一配料体系,挤出装置结构及结构参数不一等。本文以常见的碳化硅(SiC)陶瓷粉末为基本材料,围绕陶瓷浆体的配制、流动过程、挤出机关键参数优化等问题进行研究探讨。具体研究内容如下:(1)针对本课题中使用的陶瓷材料和主要添加剂进行了介绍和选用,确定了陶瓷浆料的配制方案及方法,陶瓷浆体的主要原料为碳化硅,分散剂、增稠剂和烧结助剂分别为四甲基氢氧化铵(TMAH)、羧甲基纤维素(CMC)以及质量比为1:1的碳化硼和碳黑。将配制完成的陶瓷浆体与非牛顿流体的流变模型利用MATLAB进行拟合,确定了陶瓷浆体的流变模型为Carreau模型,并明确了其具体的流变方程,为后续流动分析提供了基础。(2)根据陶瓷浆体的流变特性,对传统的多松弛参数的格子玻尔兹曼方法(MRTLBM)进行了改进,提出了一种基于外力项的修正MRTLBM,并将修正形式应用在了本文采用的陶瓷浆体Carreau流体上。利用Poiseuille流动的理论解,验证了所提出的修正MRTLBM的有效性,最后验证了网格独立性。(3)从常见的挤出机类型出发,确定DIW陶瓷成型的挤出装置为单螺杆挤出机,并对挤出机传动装置、加料装置和机筒等结构进行了分析设计,其中驱动电机选取Y2系列的三相异步电机,加料装置为锥形加料漏斗,机筒选择标准IKV机筒。又对螺杆挤出装置的主要参数进行分析,确定了螺杆直径和螺旋角,通过微元法分析提供了螺距、螺杆与机筒间隙和螺槽深度的最优取值范围,并以一组结构参数为例对陶瓷浆体在螺杆中的流动情况进行数值模拟,得到陶瓷浆体在螺杆内不同位置的速度分布情况,为螺杆参数的优化提供了理论基础。(4)通过流场分析得到挤出流量、推力梯度、最大剪切应力和平均停留时间,并选取为实验指标来分析螺杆的运输能力,根据上文提出的最优取值范围选定4个水平参数进行正交实验分析,利用均值和极差判断水平因素对指标的影响程度,综合比较得出最优参数组合。对最优参数组合进行可行性分析,螺杆强度可以良好的适应在实际工作中。本文通过对DIW陶瓷成型过程中所涉及的陶瓷浆体的材料配置方案,非牛顿陶瓷浆体在螺杆挤出装置内部流动的分析,MRTLBM的修正方法以及螺杆关键参数的优化进行了系统的研究,为DIW陶瓷成型提供了理论支撑,对DIW陶瓷成型技术的推广具有重要意义。
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