郭文輝，肖鴻，2，3，明越科，段玉崗，2，3，齊瑤，禾前，李婷

(1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049； 2.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710054；3.西安交通大學高端裝備研究院，西安 710115)

3D打印技術(shù)是基于離散/堆積原理，對材料進行逐層堆積成型，具有無需傳統(tǒng)刀具模具、節(jié)省材料、可成型復(fù)雜件、縮短設(shè)計制造周期等優(yōu)點[1–3]。根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)與成型方法，3D打印技術(shù)可以分為熔融沉積成型、光固化立體成型、分層實體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化、金屬激光熔融沉積、電子束熔絲沉積成型[4–8]。3D打印可供打印的材料多種多樣，包括金屬粉末、高分子材料、陶瓷漿料、生物凝膠等[9–10]，有些材料由于黏度較大導(dǎo)致傳統(tǒng)的3D打印方法無法滿足打印要求，如陶瓷粘土、高固含量材料(固含量>60%)、電熱導(dǎo)電膏、粘性聚合物、藥品和食品的粘稠漿料等[11]。

目前，針對這類材料大多采用擠出成型方式。Hong等[12]利用螺桿擠出和3D打印直寫技術(shù)實現(xiàn)了超高黏度(μ>7 000 Pa·s)銅漿料的打印，但螺桿擠出打印方式不適用于對發(fā)熱、摩擦敏感的生物材料和含能材料。Kebede等[13]利用氣動擠壓打印固含量80%的高黏度漿料，可有效地實現(xiàn)漿料的擠壓和各層的加熱，制備的試樣與常規(guī)鑄造件的力學性能相當，但是打印使用的壓力較大，打印速度較慢，且打印噴嘴直徑為1.65 mm，打印精度較差。Gunduz等[14]提出了一種新型3D直寫技術(shù)，利用大振幅超聲振動將具有高混合黏度的推進劑打印成高分辨幾何形狀，但大振幅超聲振動會降低打印精度。冶竣峰等[15]針對熔融沉積型3D打印機在打印過程中存在的打印速度慢的問題，引入了高頻振動輔助的工作方式，有效地降低純丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和15%碳纖維-聚乳酸(PLA)流動阻力，提高了材料的擠出速度，但該方法主要用于熔融沉積技術(shù)。

針對螺桿、活塞擠出方式不具備材料普遍適用性，氣壓擠出存在擠出緩慢、堵塞噴嘴、流動遲滯現(xiàn)象等問題，筆者提出了一種基于超聲振動的高黏度材料3D打印方法，通過對整個噴頭施加小振幅的振動，減小高黏度材料流動過程中的阻力，實現(xiàn)高黏度材料高效、高精打印。分析了超聲振動減摩機理，并利用COMSOL軟件進行了超聲振動打印噴頭擠出過程的數(shù)值模擬，搭建了高黏度材料超聲輔助3D打印平臺，以質(zhì)量分數(shù)為70%，75%固含量的二氧化鋯陶瓷材料為例，進行了超聲振動打印噴頭的擠出實驗，研究了有無超聲、不同振幅、不同噴嘴直徑對擠出速度的影響，最后，通過打印52.96 mm×8.56 mm×4.8 mm的長方體樣件檢驗了該3D打印方法的成型精度。

1 實驗部分

1.1 原材料

氨基甲酸酯丙烯酸酯：EB8413，湛新樹脂(中國)有限公司；

脂肪族聚氨酯丙烯酸酯：RJ425，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

甲基丙烯酸異冰片酯：IBOMA，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮：1173，廣州市利厚貿(mào)易有限公司；

聚丙烯酸鈉(PAAS)：南通大瑤化學品有限公司；

氧化鋯陶瓷粉末：200 nm，河北科澤金屬材料有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

真空攪拌機：S901型，宿遷鳴齒醫(yī)療器械有限公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：MCR302型，奧地利安東帕公司；

超聲發(fā)生器：THD-M6型，廣東深圳電科超聲波工廠；

超聲換能器：28 kHz，廣東深圳電科超聲波工廠；

多普勒激光測振系統(tǒng)：PSV-400-M4型，德國寶利泰公司。

1.3 超聲輔助3D打印平臺

高黏度材料超聲輔助3D打印平臺如圖1所示。搭建了高黏度材料超聲輔助3D打印平臺，超聲發(fā)生器通過電線連接超聲換能器，控制超聲換能器在垂直于材料擠出方向進行超聲振動，帶動打印噴頭在振動方向上作往復(fù)運動，同時超聲輔助打印頭按照CAD模型單層切片軌跡在X-Y平面內(nèi)移動，單層打印完成后，打印基板沿Z向上抬升單個切片厚度，重復(fù)上述步驟，直至完成整個設(shè)計樣件的打印成型。

圖1 高黏度材料超聲輔助3D打印平臺

1.4 材料制備

實驗使用材料為光敏樹脂/二氧化鋯陶瓷漿料，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為70%，75%，通過將預(yù)聚物(EB8413)、活性稀釋劑(RJ425，IBOMA)、光引發(fā)劑(1173)混合得到光敏樹脂，再將光敏樹脂、分散劑(PAAS)混合均勻后加入氧化鋯陶瓷粉末，使用真空攪拌機不斷攪拌混合，直至分散均勻為止。

1.5 流變性能測試

以二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為75%的光敏樹脂/二氧化鋯陶瓷漿料為例，分析超聲振動打印噴頭對擠出速度的提高效果，通過旋轉(zhuǎn)流變儀可以得到黏度的離散點分布，利用賓漢模型對測得的實驗離散點進行擬合，其中賓漢模型[16–17]如公式(1)：

式中：η——動力黏度；

ηp——塑性黏度；

τy——屈服應(yīng)力；

mp——模型參數(shù)；

γ˙——剪切速率。

擬合得到動力黏度隨剪切速率的變化曲線如圖2所示，并得出剪切速率和材料動力黏度的關(guān)系式如公式(2)：

圖2 黏度隨剪切速率的變化曲線及擬合函數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲振動減摩機理

設(shè)置流體為連續(xù)性介質(zhì)，忽略能量損失，且不考慮流體分子間空隙，材料在氣壓作用下從噴嘴處擠出的流動過程中，需要遵循質(zhì)量、動量守恒規(guī)律[18–19]如公式(3)以及公式(4)。

式中：ρ——流體密度；

t——流動時間；

V——速度矢量；

g——重力加速度；

p——壓力；

μ——動力黏度。

式(4)中右側(cè)每一項均表示單位質(zhì)量流體的作用力，ρg是單位體積流體受到的重力；?p為壓力，主要與流體受到的壓力有關(guān)；μ?2V為粘性力項，可分為粘性切向力和粘性附加法向力。

粘性力項為流體擠出過程的主要阻力，為了得到超聲振動對于擠出阻力的影響，接下來將對超聲振動作用噴頭的內(nèi)部流場進行分析。圖3為截點1，2處流體振動方向運動速度。由圖3a可見，取靠近料筒壁面一點為截點1，取靠近中心一點為截點2，對噴嘴施加超聲振動，截點1，2振動方向速度如圖3b所示。由于水平振動的周期性和慣性作用，截點1，2之間的速度差曲線是周期變化的，周期大小為1/2個振動周期，速度差的最大值(圓形點)出現(xiàn)在壁面振動速度波峰/波谷前，速度差的最小值(方形點)出現(xiàn)在截點1，2速度的交點處。

圖3 截點1、2處流體振動方向運動速度

圖4為振動過程中噴嘴內(nèi)流體振動方向的速度云圖。圖4中箭頭方向表示速度方向，箭頭大小表示速度大小，由于料筒內(nèi)的流體不是一個整體，因此，在噴頭發(fā)生超聲振動時各單元的速度不一致，圖4a顯示當速度差達到最大時，壁面箭頭與靠近中心箭頭差異較大，圖4b顯示當速度差最小時，壁面箭頭與靠近中心箭頭基本一致，速度差的波動周期長度與振動周期長度一致。利用單元之間的速度差可以減小某側(cè)流體間的粘性力，當單元間的速度差最大時，式(4)中的粘性力項μ?2V最小，擠出速度達到最大值。

圖4 流體振動方向速度云圖

2.2 數(shù)值模擬超聲振動對流體流速的影響

通過COMSOL軟件對上述打印過程進行數(shù)值模擬。由于打印料筒在振動方向上作周期運動，因此選擇求解方式為瞬態(tài)求解。根據(jù)本實驗的實際情況，模型的邊界條件設(shè)置列于表1。

表1 超聲振動擠出模型邊界條件設(shè)置

在對建好的幾何模型，進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、計算后得到超聲振動輔助擠出過程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。當氣壓為0.5 MPa、噴嘴直徑為1 mm、超聲振動頻率為28 kHz、振動幅值為5 μm時，超聲輔助打印噴頭擠出速度在3.54 mm/s至9.48 mm/s內(nèi)波動，擠出速度波動周期長度(圖5)等于1/2速度差周期長度(圖3b)，且擠出速度從最大值到最小值再到最大值對應(yīng)噴頭內(nèi)速度差從最大值到最小值再到最大值，該現(xiàn)象驗證了前述的振動減摩機理。根據(jù)上述原理可以得到，擠出速度的變化主要是由于噴頭不斷加速、減速和慣性作用導(dǎo)致的速度差促使的，而速度差的大小主要由噴頭的運動加速度決定，即由振動的頻率和振幅決定。

圖5 超聲振動影響擠出速度的數(shù)值模擬結(jié)果

由于周期時間非常短，這種波動式擠出不會使擠出過程出現(xiàn)時快時慢的現(xiàn)象，因此筆者對單個周期內(nèi)的擠出速度求平均值作為超聲輔助擠出速度大小，計算得到擠出速度為6.53 mm/s，而無超聲輔助擠出速度為0.14 mm/s，超聲輔助打印噴頭的擠出速度是無超聲打印噴頭的46.6倍，仿真結(jié)果表明超聲振動輔助打印噴頭能夠顯著提高高黏度材料的擠出打印速度。

2.3 超聲輔助打印實驗驗證及成型精度分析

為得到不同實驗條件下高黏度材料的擠出速度，通過改變氣壓、振幅以及噴嘴直徑等參數(shù)測量了30 s內(nèi)的擠出材料的質(zhì)量，并依據(jù)公式(5)得到了高黏度材料在不同實驗條件下的擠出速度。

式中：s——擠出速度；

m——擠出質(zhì)量；

A——截面積。

(1)超聲振動對擠出速度的影響。

表2為超聲振動對不同固含量材料擠出速度的影響。當二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為70%時，在氣壓大于0.4 MPa時，漿料才能擠出；而當二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)達到75%時，無超聲振動，氣壓為0.2～0.6 MPa時，材料都無法擠出。而施加了超聲振動后，質(zhì)量分數(shù)70%和75%的陶瓷材料都能順利擠出，并且當氣壓為0.4，0.5，0.6 MPa時，超聲對擠出速度的提高分別為278%，187%和113%，提升效果顯著，能夠達到打印標準。

表2 超聲振動對不同二氧化鋯陶瓷材料擠出速度的影響

二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為70%，75%漿料在有無超聲振動時擠出速度隨氣壓的變化如圖6所示。

圖6 超聲振動對不同二氧化鋯陶瓷材料擠出速度的影響

可以發(fā)現(xiàn)，超聲振動噴頭可以使小氣壓或高黏度無法氣壓擠出的材料成功擠出，隨著氣壓的增大，材料擠出的絕對速度在不斷增大，但是速度提升在不斷減小，這是由于當氣壓增大，即?p增大，而μ?2V只與速度差相關(guān)，粘性力減小量不變，因此擠出速度提升減小。

(2)振幅對擠出速度的影響。

由于超聲振動對擠出速度的增強主要取決于振動的頻率與幅值，而振動頻率已確定，振動幅值則通過調(diào)節(jié)發(fā)生器的輸出功率來實現(xiàn)。為探究振幅與擠出速度的關(guān)系，使用多普勒激光測振系統(tǒng)對超聲振動噴頭的振幅進行測量，固含量質(zhì)量分數(shù)為70%的陶瓷漿料的擠出速度與振幅的關(guān)系如圖7所示，由圖7a可見，當功率輸出100%，振幅達到4.7 μm。

圖7 超聲振動振幅對功率及擠出速度的影響

在測得功率與振幅的關(guān)系后，進一步探究振幅與擠出速度的關(guān)系。由圖7b可見，當氣壓為0.6 MPa時，噴嘴直徑為1 mm，隨著振幅的增大，擠出速度也在不斷增大，從最初的22.9 mm/s增大到48 mm/s，提升了109.6%。

(3)噴嘴直徑對擠出速度的影響。

通過更換不同直徑的打印噴嘴，進行氣壓為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 MPa時擠出速度的測試。測試二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為75%，測試結(jié)果如圖8所示。當噴嘴直徑為1.5 mm時，擠出速度最大，隨著噴嘴直徑的不斷減小，擠出速度基本逐漸減小。噴嘴直徑為0.8 mm時的擠出速度略大于噴嘴直徑為1.0 mm的擠出速度，不同噴嘴直徑在不同氣壓下時的擠出速度存在交叉現(xiàn)象，這是噴頭與噴嘴的連接以及噴嘴自身的加工存在誤差導(dǎo)致的。

圖8 噴嘴直徑(D)對擠出速度的影響

(4)打印樣件成型精度。

圖9為打印長方體樣件及精度測試。圖9a為使用3D打印平臺打印的52.96 mm× 8.56 mm×4.8 mm的長方體樣件。由于樣件的寬度較小，因此，對打印樣件的長度進行5個不同點的測量，寬度和高度每隔5 mm進行一次測量，總共測量10次，將平均值與設(shè)計尺寸比較，得到打印樣件的尺寸精度。圖9b～圖9d為長方體長、寬、高的測量值。由圖9可以得到，長方體的長度為53.27 mm，誤差為0.6%；寬度為8.57 mm，誤差為0.1%；高度為4.82 mm，誤差為0.4%，整體誤差控制在1%以內(nèi)。上述結(jié)果表明，利用超聲振動輔助打印噴頭可以在保證打印精度的基礎(chǔ)上，提高高黏度材料的擠出速度，該3D打印技術(shù)對于實現(xiàn)骨骼、固體推進劑這類高要求產(chǎn)品的高精度打印和批量化生產(chǎn)具有重要意義。

圖9 打印長方體樣件及精度測試

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有氣壓擠出3D打印方法打印高黏度材料時存在擠出緩慢、易堵塞、流動遲滯等問題，筆者提出了一種基于超聲振動的高黏度材料3D打印方法，具體如下：

(1)研究了超聲振動打印噴頭的減摩機理。分析表明，超聲振動打印噴頭是利用慣性使流體材料間出現(xiàn)速度差，進而減小流體材料間的粘性力，達到增大流動速度的效果。

(2)使用COMSOL軟件模擬了超聲輔助打印噴頭在振動狀態(tài)下流體的擠出過程。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在超聲振動輔助下，高黏度材料的擠出速度呈周期波動，平均擠出速度為6.53 mm/s，是無超聲狀態(tài)下的46.6倍。

(3)進行了超聲輔助打印噴頭擠出實驗與打印件成型精度測試，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為70%的漿料的擠出速度最少提高了113%，二氧化鋯陶瓷質(zhì)量分數(shù)為75%的漿料實現(xiàn)了由無法擠出到擠出順暢的突破，隨著振幅、噴嘴直徑的增大，擠出速度逐漸增大。3D打印長方體樣件長、寬、高方向的打印誤差分別為0.6%，0.1%，0.4%，整體誤差控制在1%內(nèi)。

結(jié)果表明，所提出的超聲輔助高黏度材料3D打印方法在保證打印精度的同時，顯著提高了打印成型效率。該3D打印方法對機械與航空航天制造、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域中，陶瓷漿料、高固含量材料、電熱導(dǎo)電膏等高黏度材料的高效高精3D打印具有潛在應(yīng)用價值。下一步研究方向?qū)⒗^續(xù)聚焦于超聲輔助打印參數(shù)對高黏度材料3D打印件力學性能的影響研究、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及超聲輔助打印的穩(wěn)定性和3D打印件成型質(zhì)量(孔隙、表面粗糙度)的研究。