PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.02.011

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (2): 71-76.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.02.011

PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化

李传敏, 杨建军(), 李洋, 王洛唯

青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520

收稿日期:2022-11-10 出版日期:2023-02-26 发布日期:2023-02-22
通讯作者: 杨建军（1977—），男，教授，从事3D打印、微纳增材制造、柔性电子方面研究，yjjdem@163.com
E-mail:yjjdem@163.com
基金资助:
山东省自然科学基金项目(ZR2021ME139)

Structure design and process parameter optimization of active mixing nozzle based on PDMS/SiC functional gradient composite

LI Chuanmin, YANG Jianjun(), LI Yang, WANG Luowei

School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266520，China

Received:2022-11-10 Online:2023-02-26 Published:2023-02-22
Contact: YANG Jianjun E-mail:yjjdem@163.com

摘要/Abstract

摘要：

以高黏度材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）和碳化硅（SiC）粉末混合液为例，利用流体动力学仿真模拟，设计并优化主动混合喷头。仿真分析不同螺杆结构对主动混合喷头混合效果的影响，选定双向四螺旋螺杆结构，同时探究了螺杆长度、螺杆与腔体间隙等结构参数对混合效果的影响规律，确定螺杆长度为12 mm、螺杆与腔体间隙为0.2 mm；优化了该结构的转速、入口速度等工艺参数，确定转速为60 r/min、入口速度为1 mm/s。此外分析了该结构在不同材料体积配比下均可进行有效混合。最后，通过打印试样，验证了该主动混合喷头能够实现复合材料的有效混合。

关键词: 主动混合喷头, 螺杆结构, 功能梯度复合材料, 结构设计, 参数优化

Abstract:

Taking the mixture of high⁃viscose polydimethylsiloxane （PDMS） and silicon carbide （SiC） powders as an example， the active mixing nozzle was designed and optimized through hydrodynamic simulation. The influence of different screw structures on the mixing effect of active mixing nozzle was analyzed through simulation. The bidirectional quad⁃screw structure was selected to explore the effect of structural parameters such as screw length， screw and cavity clearance on the mixing effect. The screw length and the gap between screw and cavity were determined to be 12 and 0.2 mm， respectively. The rotation speed and inlet speed of the structure were optimized， and the rotation speed and inlet speed were determined to be 60 r/min and as 1 mm/s， respectively. In addition， the structure can be mixed effectively under different material volume ratio based on the analysis results. Through printing samples， it was confirmed that the effective mixing of composite materials could be realized by using the active mixing nozzle.

Key words: active mixing nozzle, screw structure, functionally gradient composite, structural design, parameter optimization

中图分类号:

TQ320.5

李传敏, 杨建军, 李洋, 王洛唯. PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 71-76.

LI Chuanmin, YANG Jianjun, LI Yang, WANG Luowei. Structure design and process parameter optimization of active mixing nozzle based on PDMS/SiC functional gradient composite[J]. China Plastics, 2023, 37(2): 71-76.

图/表 11

图1 主动混合喷头装置

Fig.1 Active mixing nozzle device

材料	密度/kg·m^-3	黏度/cp
100 %PDMS	1 040.0	3 500
50 %PDMS+50 %SiC	1 680.5	32 300

表1 材料参数表

Tab.1 Parameters of the materials

图2 螺杆结构及网格

Fig.2 Screw structures and meshs

图3 各类螺杆纵截面、横截面界面密度混合云图

Fig.3 Mixed cloud images of longitudinal and transverse section interfacial density of various types of the screws

图4 不同螺杆长度下的界面密度混合云图

Fig.4 Mixed cloud images for interfacial density of screws with different lengths

图5 不同间隙下的界面密度混合云图

Fig.5 Mixed cloud image of interfacial density at different spacings

图6 不同转速下的界面密度混合云图

Fig.6 Mixed cloud images of interfacial density at different speeds

图7 不同入口速度下的界面密度混合云图

Fig.7 Mixed cloud images of interfacial density at different inlet velocities

图8 不同材料配比下的界面密度混合云图及标准色谱

Fig.8 Mixed cloud image of interfacial density under different material ratio and standard chromatograms

图9 螺杆结构实物照片

Fig.9 Physical photograph of screw structure

图10 打印样件及其微观形貌

Fig.10 Print samples and their microscopic morphology

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PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化

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