王琛，周徵藝，張晨赟

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印耗材已不局限于剛性材料，柔性材料被逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)，如熱塑性聚氨酯(TPU)已成為常用的柔性3D打印耗材之一[1]。TPU具有極佳的柔韌性和回彈性、良好的耐水解性以及高紫外線穩(wěn)定性，通過與熔融沉積3D打印制造工藝的結(jié)合，TPU被廣泛應(yīng)用于對柔韌性、回彈性和易加工屬性有較高要求的生產(chǎn)領(lǐng)域，特別適用于制造各類緩沖元件、醫(yī)療護(hù)具、保護(hù)套等定制類柔性產(chǎn)品。

硫氯分析儀(見圖1)是應(yīng)用微庫侖滴定原理，由零平衡工作方式設(shè)計(jì)的庫侖放大器、電解池和適宜的電解液組成的一種閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)[2]。具有性能可靠、操作簡易、穩(wěn)定性好、便于安裝等特點(diǎn)，常用于石油化工產(chǎn)品中微量硫、氯、氮等元素的分析[3]。電解池是硫氯分析儀的核心部件，也是微庫侖滴定反應(yīng)的心臟[4]。它起著將試樣裂解產(chǎn)生的被測物質(zhì)和電解液中的滴定劑發(fā)生反應(yīng)的作用，由池蓋、池體和電極等部分組成[5]。

圖1 硫氯分析儀

考慮到電解池中的內(nèi)部元件、池體內(nèi)壁及進(jìn)氣管道的清潔程度直接影響了電解池的作用效果[6]。為了保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，在日常維護(hù)中需要定期對電解池進(jìn)行拆解清洗。電解池由高硼硅玻璃制成，質(zhì)地較脆，在拆解、清洗和安裝的過程中容易發(fā)生磕碰、跌落和傾倒等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電解池的碎裂和破壞，增加了維護(hù)成本[7]。為了解決電解池在拆解清洗過程中的防碎與保護(hù)問題，筆者設(shè)計(jì)了硫氯分析儀電解池保護(hù)套，其通過熔融沉積3D打印工藝，使用TPU柔性材料制作成型。然后應(yīng)用SolidWorks simulation有限元模塊，以電解池的跌落工況為例，模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種跌落工況，對各跌落工況下有保護(hù)套和無保護(hù)套電解池池體的極限應(yīng)力進(jìn)行對比。結(jié)果表明，基于3D打印TPU材料的電解池保護(hù)套有效降低了電解池池體在各跌落工況下的極限應(yīng)力，保護(hù)了電解池的結(jié)構(gòu)，減少了其在拆解清洗過程中碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1 仿真模型建立

1.1 電解池池體模型建立

在池蓋、池體、電極等電解池零部件中，由于池體處于電解池與外界(臺面、儀器殼體等)產(chǎn)生接觸與碰撞最多的部分，最容易發(fā)生破壞，且池體是電解池中體積最大的零件，實(shí)現(xiàn)對池體的保護(hù)即實(shí)現(xiàn)了對電解池的保護(hù)，因此主要對電解池的池體進(jìn)行三維建模、跌落仿真和保護(hù)套設(shè)計(jì)[8]。筆者使用SolidWorks軟件對池體進(jìn)行三維建模，通過游標(biāo)卡尺等測量工具對池體尺寸進(jìn)行測量，在精確復(fù)制池體形態(tài)和定義池體尺寸的前提下，對池體的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行簡化，包括刪去了池體各開口端面2 mm以下的圓角和倒角等細(xì)節(jié)特征，有利于實(shí)現(xiàn)池體的網(wǎng)格劃分。SolidWorks軟件建立的池體三維模型如圖2所示，池體主要包括反應(yīng)室、左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進(jìn)氣管、連接管、底座等結(jié)構(gòu)。

圖2 電解池池體三維模型

1.2 保護(hù)套模型設(shè)計(jì)

對電解池與外界產(chǎn)生接觸與碰撞最多的面輪廓外邊緣進(jìn)行保護(hù)套設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時遵循以下原則：首先，保護(hù)套對電解池池蓋與電極等零件的安裝與拆解過程不發(fā)生干涉、不產(chǎn)生干擾；其次，保護(hù)套既要實(shí)現(xiàn)對池體結(jié)構(gòu)的保護(hù)，又不能遮擋或影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中對滴定反應(yīng)、電解液變化、電極變化和轉(zhuǎn)子運(yùn)動狀態(tài)等重點(diǎn)要素的觀察[9]；最后，保護(hù)套既要易于拆解，又要能夠?qū)崿F(xiàn)接近于固定狀態(tài)的安裝，不能有過大的松動或位移空間?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)原則，筆者采用分區(qū)域設(shè)計(jì)的方法，對左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進(jìn)氣管和底座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)套設(shè)計(jì)，保護(hù)套基本包絡(luò)了各結(jié)構(gòu)的面輪廓外邊緣，實(shí)現(xiàn)了貼合保護(hù)效果。

SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的保護(hù)套三維模型如圖3所示，保護(hù)套主要包括左側(cè)臂管保護(hù)套、右側(cè)臂管保護(hù)套、進(jìn)氣管保護(hù)套(橫向)、進(jìn)氣管保護(hù)套(豎向)、底座保護(hù)套等部分。如圖4所示，左、右側(cè)臂管保護(hù)套結(jié)構(gòu)相同、互為對稱，厚度均為2 mm。左、右側(cè)臂管保護(hù)套上半部分的包絡(luò)面不完全閉合，開設(shè)有1 mm寬的安裝縫，扒開安裝縫后，保護(hù)套可以順利套合在左、右側(cè)臂管上，并通過TPU材料的張力實(shí)現(xiàn)緊固貼合。保護(hù)套上半部分包絡(luò)面的底部開設(shè)有定位槽，用于卡合在池體連接管(左、右側(cè)臂管與反應(yīng)室的連接管)上，實(shí)現(xiàn)定位。左、右側(cè)臂管保護(hù)套下半部分為180°的包絡(luò)面，避免遮擋或影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中對左、右側(cè)臂管中滴定反應(yīng)、電解液變化、電極變化等重點(diǎn)要素的觀察。如圖5和圖6所示，進(jìn)氣管保護(hù)套(橫向)安裝在進(jìn)氣管橫向結(jié)構(gòu)的外側(cè)，進(jìn)氣管保護(hù)套(豎向)安裝在進(jìn)氣管豎向結(jié)構(gòu)的外側(cè)。橫向、豎向進(jìn)氣管保護(hù)套厚度均為2 mm，其包絡(luò)面不完全閉合，開設(shè)有1 mm寬的安裝縫，扒開安裝縫后，保護(hù)套可以順利套合在相應(yīng)結(jié)構(gòu)上，并通過TPU材料的張力實(shí)現(xiàn)緊固貼合。進(jìn)氣管保護(hù)套(橫向)底部側(cè)壁開設(shè)有定位槽，用于卡合在池體連接管(進(jìn)氣管與反應(yīng)室的連接管)上，實(shí)現(xiàn)定位。如圖7所示，底座保護(hù)套厚度為2 mm，其內(nèi)壁輪廓尺寸與池體底座尺寸一致，直接套合在池體底座上。

圖3 保護(hù)套三維模型

圖4 左、右側(cè)臂管保護(hù)套結(jié)構(gòu)及尺寸

圖5 進(jìn)氣管保護(hù)套(橫向)結(jié)構(gòu)及尺寸

圖6 進(jìn)氣管保護(hù)套(豎向)結(jié)構(gòu)及尺寸

圖7 底座保護(hù)套結(jié)構(gòu)及尺寸

1.3 網(wǎng)格劃分

SolidWorks simulation中有3種網(wǎng)格劃分方式，分別為：標(biāo)準(zhǔn)劃分、曲率劃分和混合曲率劃分[10]。其中，標(biāo)準(zhǔn)劃分方式采用線性四面體作為基本單元，適合創(chuàng)建大小均勻、結(jié)構(gòu)對稱的簡單網(wǎng)格，當(dāng)模型具有較小的特征結(jié)構(gòu)或異形曲面時，標(biāo)準(zhǔn)劃分方式不適用[11]；曲率劃分方式采用可變大小的四面體作為基本單元，使其在處理較小的特征結(jié)構(gòu)或異形曲面時更加靈活，網(wǎng)格劃分范圍更廣，且效率較高[12]；混合曲率劃分方式采用拋物線四面體作為基本單元，可以生成比標(biāo)準(zhǔn)和曲率劃分方式品質(zhì)更高的網(wǎng)格，但是其網(wǎng)格劃分時間較長，速度較慢[13]。對于電解池池體結(jié)構(gòu)，由于其在主要連接部位有異形曲面的過渡，因此選用曲率劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分精細(xì)度選擇適中。網(wǎng)格化后的模型生成單元數(shù)14 023，節(jié)點(diǎn)數(shù)12 386，自由度數(shù)36 028，電解池池體和保護(hù)套裝配體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 電解池池體和保護(hù)套裝配體網(wǎng)格劃分

1.4 設(shè)定材料與接觸定義

筆者分析的電解池池體材料為高硼硅玻璃，保護(hù)套材料為3D打印用TPU材料。由于SolidWorks simulation默認(rèn)材料庫中沒有以上產(chǎn)品構(gòu)成材料，經(jīng)查找文獻(xiàn)并參考實(shí)際打印用TPU材料(硬度98 A，東莞以祥三維科技有限公司)的出廠信息找到上述材料的各項(xiàng)性能參數(shù)(見表1)進(jìn)行設(shè)定。此外，設(shè)置TPU材料為各向同性，對由熔融沉積3D打印工藝造成的TPU模型結(jié)構(gòu)各向異性問題，由于其對仿真結(jié)果影響較小，故不做探討。對電解池池體和保護(hù)套接觸類型進(jìn)行定義時，參照電解池池體和保護(hù)套裝配體的實(shí)際接觸情況，分別選擇左側(cè)臂管、右側(cè)臂管、進(jìn)氣管和底座中與池體表面接觸的對應(yīng)面組，設(shè)置各面組的接觸方式為無穿透。

表1 材料性能參數(shù)表

1.5 跌落姿態(tài)

以電解池池體的跌落工況為例，電解池池體在拆解、清洗的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中可能會以不同的姿態(tài)發(fā)生跌落，依據(jù)電解池池體與臺面之間的角度，可分為橫向跌落、豎向跌落和斜向跌落，因此筆者模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種常見的跌落工況，跌落高度設(shè)置為距離工作臺面100 mm，各跌落工況的示意圖如圖9所示。

圖9 跌落工況示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 水平跌落工況仿真對比

圖10和圖11分別為水平跌落工況下無保護(hù)套和有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖。從圖10和圖11可見，100 mm高度水平跌落工況下，無保護(hù)套電解池參考電極所在的左側(cè)臂管與臺面接觸處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為左側(cè)臂管上的7 129號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖12；有保護(hù)套電解池左側(cè)臂管與反應(yīng)室相接的連接管根部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為連接管上的3 735號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖12。從圖12最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線中可見，7 129號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在85.23 μs，最大應(yīng)力值為92.651 MPa，3 735號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在85.68 μs，最大應(yīng)力值為40.775 MPa。安裝有保護(hù)套的電解池池體在水平跌落工況下，比沒有安裝保護(hù)套的電解池池體的最大應(yīng)力值下降了55.99%，且電解池池體的最大應(yīng)力值低于材料的屈服強(qiáng)度70 MPa。因此，在水平跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護(hù)套有效地降低了電解池池體的極限應(yīng)力，保護(hù)了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 水平跌落工況下無保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖11 水平跌落工況下有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖12 水平跌落工況的最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線

2.2 豎直跌落工況仿真對比

圖13和圖14分別為豎直跌落工況下無保護(hù)套和有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖。從圖13和圖14可見，100 mm高度豎直跌落工況下，無保護(hù)套電解池進(jìn)氣管與反應(yīng)室連接處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為進(jìn)氣管上的10 132號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖15；有保護(hù)套電解池右側(cè)臂管(接電解陰極)與反應(yīng)室相接的連接管根部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為連接管上的6 396號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖15。從圖15最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線中可見，10 132號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在43.58 μs，最大應(yīng)力值為91.532 MPa，6 396號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在78.62 μs，最大應(yīng)力值為66.476 MPa。安裝有保護(hù)套的電解池池體在豎直跌落工況下，比沒有安裝保護(hù)套的電解池池體的最大應(yīng)力值下降了27.38%，且電解池池體的最大應(yīng)力值低于材料的屈服強(qiáng)度70 MPa。因此，在豎直跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護(hù)套有效地降低了電解池池體的極限應(yīng)力，保護(hù)了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 豎直跌落工況下無保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖14 豎直跌落工況下有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖15 豎直跌落工況的最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線

2.3 傾斜45°跌落工況仿真對比

圖16和圖17分別為傾斜45°跌落工況下無保護(hù)套和有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖。從圖16和圖17可見，100 mm高度傾斜45°跌落工況下，無保護(hù)套電解池底座與臺面接觸處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為底座上的112號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖18；有保護(hù)套電解池右側(cè)臂管(接電解陰極)與反應(yīng)室相接的連接管根部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大處為連接管上的6 412號單元，該單元的應(yīng)力-時間曲線見圖18。從圖18最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線中可見，112號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在79.13 μs，最大應(yīng)力值為111.120 MPa，6 412號單元的最大應(yīng)力出現(xiàn)在85.36 μs，最大應(yīng)力值為30.345 MPa。安裝有保護(hù)套的電解池池體在傾斜45°跌落工況下，比沒有安裝保護(hù)套的電解池池體的最大應(yīng)力值下降了72.69%，且電解池池體的最大應(yīng)力值低于材料的屈服強(qiáng)度70 MPa。因此，在傾斜45°跌落工況下，基于3D打印TPU材料的電解池保護(hù)套有效的降低了電解池池體的極限應(yīng)力，保護(hù)了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 傾斜45°跌落工況下無保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖17 傾斜45°跌落工況下有保護(hù)套電解池池體應(yīng)力云圖

圖18 傾斜45°跌落工況的最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力-時間曲線

3 電解池保護(hù)套的3D打印應(yīng)用

3.1 切片處理過程

將由SolidWorks軟件導(dǎo)出的.STL文件導(dǎo)入至Cura軟件中進(jìn)行切片處理。以左側(cè)臂管保護(hù)套的切片處理過程為例，初始導(dǎo)入的左側(cè)臂管保護(hù)套的弧形側(cè)面與成型平臺相接觸(如圖19所示)，此擺放位置容易產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)，增加了打印時間和成本。因此將三維模型沿X軸(紅色軸)方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使左側(cè)臂管保護(hù)套的頂部平面與成型平臺相接觸(如圖20所示)，此擺放位置不產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu)，合理地節(jié)省了打印時間和成本。

圖19 初始擺放位置

圖20 調(diào)整擺放位置

對打印參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時，考慮到TPU材料冷卻速率較慢，較小的打印速度能使TPU材料冷卻時間變長，固化更加完全，從而使得層與層之間獲得更好的黏結(jié)效果，筆者設(shè)置打印速度為30 mm/s[14]?；爻樗俣葘τ赥PU材料的打印過程也很重要，回抽過程發(fā)生在每層打印軌跡的結(jié)束端，回抽速度過慢，熔融的絲材會在每層形成堆積并產(chǎn)生拉絲現(xiàn)象，影響了模型的表面質(zhì)量。由于TPU材料質(zhì)地柔軟，熔融狀態(tài)下具有較強(qiáng)的流動性，因此需要設(shè)置較大的回抽速度，避免其在打印的過程中出現(xiàn)材料堆積和拉絲現(xiàn)象，筆者設(shè)置回抽速度為80 mm/s[15]。為使熔融狀態(tài)下的TPU材料能更加緊固地沉積并黏結(jié)在打印平臺上，避免打印過程中模型因快速冷卻而產(chǎn)生的翹曲問題，熱床溫度需要調(diào)高，筆者設(shè)置熱床溫度為80 ℃[16]。綜合考慮打印時間、成本和表面質(zhì)量等因素，TPU柔性材料的層高不宜過大(導(dǎo)致表面質(zhì)量較差)，也不宜過小(導(dǎo)致打印時間和成本增加)，筆者設(shè)置打印層高為0.2 mm。其余主要打印參數(shù)設(shè)置見表2，此參數(shù)設(shè)置下，各零件打印時間總計(jì)為25 min，打印材料消耗總計(jì)為52 g，材料成本總計(jì)約為3元，其中剝離去除的支撐材料(橫向進(jìn)氣管保護(hù)套部分)消耗5 g，材料利用率90%。綜上分析，3D打印TPU柔性電解池保護(hù)套成本低，制造效率高、材料利用率高。

表2 優(yōu)選打印參數(shù)設(shè)置表

3.2 3D打印過程

使用TPU柔性絲材(硬度98 A，東莞以祥三維科技有限公司)，通過熔融沉積3D打印工藝制造電解池保護(hù)套，為了保證打印質(zhì)量，對保護(hù)套各零件分開進(jìn)行打印。將切片完成的G-code文件分別導(dǎo)入至熔融沉積3D打印機(jī)中，TPU柔性材料需要使用近程式擠出機(jī)，因?yàn)榻淌綌D出機(jī)送絲輪和喉管間的距離較短，能夠避免柔軟的TPU絲材纏繞堆積，造成堵頭現(xiàn)象。遠(yuǎn)程式擠出機(jī)容易出現(xiàn)擠出機(jī)驅(qū)動齒輪壓力過大，導(dǎo)致線材擠出變扁并纏繞，無法擠出成型。此外，由于TPU柔性材料在打印時容易出現(xiàn)翹曲問題，在打印前需要在成型平臺上涂一層高黏度膠水，以便模型更好地黏結(jié)在成型平臺上。最終，打印完成的保護(hù)套實(shí)物效果如圖21所示，裝配完成的電解池保護(hù)套效果如圖22所示，基于3D打印TPU材料的硫氯分析儀電解池保護(hù)套表面光滑、無打印缺陷，具有較強(qiáng)的柔韌性、回彈性，有效的保護(hù)了磕碰、跌落和傾倒等工況下電解池的主體結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)，且易于拆解和安裝，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖21 保護(hù)套實(shí)物圖

圖22 保護(hù)套裝配圖

4 結(jié)論

綜合運(yùn)用CAD，CAE和增材制造技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析以及3D打印實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了硫氯分析儀電解池保護(hù)套的設(shè)計(jì)與制造。應(yīng)用SolidWorks simulation有限元模塊，以電解池池體的跌落工況為例，模擬了水平、豎直、傾斜45°等3種跌落工況。仿真結(jié)果表明，在水平、豎直、傾斜45°跌落工況下，安裝有保護(hù)套的電解池池體比沒有安裝保護(hù)套的電解池池體的最大應(yīng)力值分別下降了55.99%，27.38%，72.69%，且各跌落工況下電解池池體的最大應(yīng)力值均低于材料的屈服強(qiáng)度70 MPa?；?D打印TPU材料的電解池保護(hù)套有效地降低了電解池池體的極限應(yīng)力，保護(hù)了電解池結(jié)構(gòu)，減少了其碎裂和破壞的風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。