熊 韓，焦志偉＊，遲百宏，劉曉軍，楊衛(wèi)民

（1．北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2．北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086）

機(jī)械與模具

閥控式熔體微分3D打印機(jī)工作特性的研究

熊 韓1，焦志偉1＊，遲百宏2，劉曉軍1，楊衛(wèi)民1

（1．北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2．北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086）

提出一種可實(shí)現(xiàn)多種塑料顆粒直接打印的閥控式熔體微分三維（3D）打印機(jī)，運(yùn)用多相流及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)閥腔內(nèi)非牛頓流體的擠出過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，擠出流量與閥針下移速度、閥針／閥腔直徑比均呈正相關(guān)關(guān)系，且閥針距噴嘴越近、直徑比越大，流量波動(dòng)越大；最佳閥針最大運(yùn)動(dòng)距離為0．5～1mm；閥針運(yùn)動(dòng)速度／閥腔背壓比大于0．5時(shí)，熔體出現(xiàn)倒流現(xiàn)象；精確控制各工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定按需擠出，提高成型件精度。

三維打?。蝗垠w微分；閥控系統(tǒng)；動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

0 前言

3D打印技術(shù)也稱增材制造技術(shù)，具有可制備復(fù)雜曲面制品、近凈成型、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造等特點(diǎn)，已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中最重要的研究方向［1－2］。熔融沉積成型技術(shù)（FDM），如圖1所示。因其原理簡(jiǎn)單、耗材利用率高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最為普遍的3D打印成型技術(shù)［3－4］。而現(xiàn)有FDM 3D打印原理在耗材種類和耗材形態(tài)仍存較大限制［5］。例如，現(xiàn)有3D打印設(shè)備采用線條形耗材對(duì)齒式的供料方式，當(dāng)輸送壓力超過線條形耗材的屈曲值時(shí)耗材發(fā)生彎曲，無法建立背壓，導(dǎo)致打印故障產(chǎn)生。

圖1 熔融沉積成型打印原理及其供料原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of the principle of molten deposition and its feeding principle

本文提出一種閥控式熔體微分3D打印機(jī)，創(chuàng)新采用精密螺桿式的物料塑化與供料原理、快速響應(yīng)的開關(guān)閥式料流控制方式以及壓力閉環(huán)自平衡系統(tǒng)精確控制微絲尺寸，不僅可以打印剛性聚合物材料，如丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）及軟彈性材料熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）等材料的打印要求，而且解放了對(duì)耗材形態(tài)的要求，可以直接加入原本的聚合物粒料，省去耗材的二次拉條加工，極大地降低了耗材成本。

1 熔體微分3D打印技術(shù)

1．1 熔體微分3D打印機(jī)成型過程原理

熔體微分3D打印是基于FDM的一種成型工藝，其成型過程包括耗材熔融、按需擠出、堆積成型3部分。如圖2所示，熱塑性粒料在機(jī)筒中加熱熔融塑化后，并由螺桿建壓、輸送至熱流道；熔體經(jīng)熱流道均勻分配至各閥腔中，閥針在外力作用下開合，將熔體按需擠出噴嘴，形成熔體“微單元”。

圖2 熔體微分3D打印工作原理圖Fig．2 Schematic diagram of melt differential 3Dprinting

該熔體微分3D打印機(jī)采用螺桿式供料裝置，可以加工熱塑性粒料及粉料，避免了絲狀耗材的打印局限，擴(kuò)展了熔融堆積類3D打印的應(yīng)用范圍；采用針閥式結(jié)構(gòu)作為熔體擠出控制裝置，避免了敞開式噴嘴容易流涎的缺點(diǎn)，通過控制閥針開合，能夠精確控制熔體的擠出流量和擠出時(shí)間，提高熔體“微單元”的精度。

針對(duì)快速成型閥控式擠出過程的數(shù)值模擬，盧凌鋒［6］采用Fluent軟件模擬了閥針運(yùn)動(dòng)對(duì)出口流速的影響，并通過設(shè)定入口流速波動(dòng)曲線實(shí)現(xiàn)微滴噴射的模擬；周詩(shī)貴［7］采用Fluent軟件模擬了壓電驅(qū)動(dòng)膜片變形實(shí)現(xiàn)微滴噴射的模擬；彭先安［8］采用Flow－3D軟件模擬了撞針往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中膠液的流動(dòng)情況，并對(duì)噴射過程的回流現(xiàn)象進(jìn)行了分析。但相關(guān)研究主要針對(duì)具有恒定黏度和表面張力的膠體類材料，而對(duì)于黏度受溫度及剪切影響極大的聚合物熔體的模擬分析鮮有涉及。

本文采用Fluent軟件模擬聚合物熔體在背壓和閥針運(yùn)動(dòng)共同作用下的流動(dòng)情況，并對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行分析，為提高模擬準(zhǔn)確性，采用的設(shè)定模塊包括：

（1）動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)；

（2）流體體積函數(shù)模型（VOF）；

（3）黏彈性流體本構(gòu)方程參數(shù)設(shè)定。

1．2 熔體擠出過程動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)岳海波［9］對(duì)噴射點(diǎn)膠過程的流體動(dòng)力學(xué)分析以及李志江［10］對(duì)塑料液滴噴射技術(shù)的研究，當(dāng)閥針運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴嘴上端和噴嘴內(nèi)的熔體的流動(dòng)為受到背壓產(chǎn)生的靜壓以及閥針運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓相疊加的壓差流動(dòng)。當(dāng)閥針向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其熔體流速分布圖如圖3（a）所示。閥腔內(nèi)熔體的流速分布為向下的壓差流動(dòng)與向上的拖曳流動(dòng)之差，噴嘴上緣則為靜壓壓差流動(dòng)與動(dòng)壓壓差流動(dòng)之差。當(dāng)閥針運(yùn)動(dòng)速度過快，背壓較小時(shí)，會(huì)引起噴嘴處空氣倒灌閥腔的現(xiàn)象。當(dāng)閥針向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其熔體流速分布圖如3（b）所示。閥腔內(nèi)熔體的流速分布為向下的壓差流動(dòng)與向下的拖曳流動(dòng)之和，噴嘴上緣則為靜壓壓差流動(dòng)與動(dòng)壓壓差流動(dòng)之和。當(dāng)閥針運(yùn)動(dòng)速度過快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熔體噴射的現(xiàn)象。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針閥往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴嘴上緣的壓力值處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)對(duì)熔體擠出流量及流速產(chǎn)生較大影響，影響精度控制。通過分析可得知，閥腔直徑（c）、閥針直徑（v）、閥針最大移動(dòng)距離（Lv）、噴嘴直徑（n）、噴嘴長(zhǎng)度（Ln）等參數(shù)均會(huì)對(duì)熔體的流動(dòng)產(chǎn)生影響。相關(guān)幾何參數(shù)如圖4（a）所示。由于n、Ln對(duì)熔體流量的影響可通過Hagen－Poiseuille公式確定，因此幾何參數(shù)方面主要分析c、v、Lv對(duì)熔體流量的影響。

圖3 閥針上升時(shí)熔體流速分布圖Fig．3 Distribution of melt flow velocity when valve needle is raised

圖4 物理模型及參數(shù)變量Fig．4 Physical model and parameter variables

選用高熔體流動(dòng)速率聚丙烯（PP）6820為研究對(duì)象，其密度為0．9g／cm3，相對(duì)分子質(zhì)量約為100000。圖4（b）為計(jì)算模型方案及邊界條件。設(shè)定初始條件為：閥腔及噴嘴內(nèi)充滿熔體，噴嘴外部為空氣域。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定閥腔背壓ΔP為2MPa；閥腔邊界、噴嘴邊界及外端、熔體溫度為230℃；空氣域壓力為零，溫度為23℃。其測(cè)試參數(shù)以及變量值如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)及變量值表Tab．1 Test parameters and variable values table

2 模擬結(jié)果與分析

2．1 閥針運(yùn)動(dòng)速度對(duì)熔體擠出的影響

設(shè)定c＝4mm、v＝2mm、閥針／閥腔直徑比v／c＝2，Lv＝2mm，其材料及邊界條件設(shè)定如上述設(shè)定。

圖5為閥針在不同運(yùn)動(dòng)速度下，從最大位移處運(yùn)動(dòng)到噴嘴閉合處的熔體擠出量。其中圖5（a）為閥針運(yùn)動(dòng)速度v＝0m／s時(shí)，熔體僅靠ΔP時(shí)的擠出流量，設(shè)定擠出時(shí)間為0．002s；圖5（b）、（c）、（d）的v分別為0．5、0．75、1．0m／s，對(duì)應(yīng)的擠出時(shí)間分別為0．004、0．00267、0．002s。圖6為v變化時(shí)噴嘴處的流量波動(dòng)情況。

圖5 v變化時(shí)熔體擠出流量示意圖Fig．5 The extrusion flow at different v

從圖6可以看出：

（1）熔體擠出流量隨著v的升高而增大；

（2）當(dāng)v＝0m／s時(shí)，初始處流量有微小波動(dòng)，隨后保持穩(wěn)定流動(dòng)；

（3）當(dāng)閥針距噴嘴較遠(yuǎn)時(shí)，噴嘴處流量緩慢增加，流量波動(dòng)平穩(wěn)；當(dāng)閥針距噴嘴較近時(shí)，噴嘴處流量急速增加，直至閥針關(guān)閉噴嘴，流量降為零；

（4）當(dāng)閥針靠近噴嘴時(shí)，v越大，對(duì)熔體擠出流量的擾動(dòng)越大。

在去掉閥腔背壓對(duì)熔體流量的影響值后，分析閥針在不同位置處熔體流量的波動(dòng)情況，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：

（1）閥針移動(dòng)到朝噴嘴約前3／4部分，流量波動(dòng)較小且流量與v成正相關(guān)關(guān)系；

（2）當(dāng)距離噴嘴約0．5mm時(shí)，流量大幅增加，但當(dāng)v較低時(shí)，波動(dòng)較緩，因此可以考慮當(dāng)閥針運(yùn)動(dòng)到距離噴嘴較近位置時(shí)，降低v的值，從而減小流量波動(dòng)，增強(qiáng)擠出流量的調(diào)控能力。

圖6 v變化時(shí)噴嘴處流量變化情況Fig．6 The flow rate at nozzle at different v

圖7 閥針在不同位置處噴嘴處流量變化情況Fig．7 The flow rate at nozzle at different valve needle motion position

2．2 Lv對(duì)熔體流量的影響

當(dāng)閥針在最大位置處，熔體在閥腔背壓的作用下穩(wěn)定擠出。通過分析Lv對(duì)熔體流量的影響，找到對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)影響最小的Lv。設(shè)定Lv分別為0．1、0．3、0．5、 1、2mm；擠出時(shí)間為0．005s；其他參數(shù)按照初始邊界條件設(shè)定。

由圖8可以看出：當(dāng)Lv小于0．5mm時(shí)，熔體流量隨著Lv的減小而減少；Lv大于0．5mm時(shí)，熔體流量沒有明顯變化。證明閥針距離噴嘴過近，會(huì)阻塞熔體流動(dòng)，影響3D打印效率。因此，在本文的設(shè)定尺寸下，Lv應(yīng)大于0．5mm；但Lv過大會(huì)延長(zhǎng)閥關(guān)閉、開合時(shí)間，因此Lv設(shè)定為0．5～1mm為最佳。

圖8 Lv對(duì)熔體流量的影響Fig．8 Influence of Lvon melt flow

2．3v／c對(duì)熔體流量的影響

v／c影響閥腔中熔體的拖曳流動(dòng)。設(shè)定：v／c分別為0．25、0．5、0．75。采用前兩段論證的最優(yōu)結(jié)果，Lv為1mm、v為0．5m／s。

圖9為v／c對(duì)熔體流量的影響，圖10為不同v／c流量變化情況，可以看出：

（1）當(dāng)v不變時(shí)，隨著v／c的增加，熔體流量增加，但不符合線性增長(zhǎng)規(guī)律；

圖9 v／c對(duì)熔體流量的影響Fig．9 Influence of the diameter ratio betweenvandcon the melt flow rate

（2）當(dāng)v較小，v／c為0．25時(shí)，流量波動(dòng)較??；當(dāng)v／c比為0．75，且閥針離噴嘴較近時(shí)，流量有下降趨勢(shì)，說明v／c較大時(shí)，對(duì)阻塞熔體流動(dòng)。

（3）當(dāng)v／c較小時(shí)，對(duì)熔體流量影響較小，能夠提高3D打印精度。

圖10 不同v／c流量變化情況Fig．10 Melt flow rate at different diameter ratio betweenvandc

2．4 v／ΔP對(duì)熔體擠出的影響

當(dāng)閥針開啟時(shí)，剪切流動(dòng)和壓差流動(dòng)方向相反，當(dāng)v／ΔP較大時(shí)，可能出現(xiàn)熔體倒流，空氣進(jìn)入閥腔的現(xiàn)象。v較小時(shí)，可以減少剪切流動(dòng)對(duì)熔體總體流動(dòng)的影響。設(shè)定：v為1mm，Lv為1mm，v為0．5m／s，ΔP分別為1、2、3MPa。其v／ΔP分別為0．5、0．25、0．167。圖11為不同v／ΔP下熔體流量，可以看出，在v／ΔP為0．5時(shí)，熔體出現(xiàn)倒流情況，空氣進(jìn)入噴嘴。圖12為不同v／ΔP熔體流量變化情況，可以看出：

（1）熔體流量隨著v／ΔP的增大而減小，當(dāng)v／ΔP大于0．5時(shí)，熔體出現(xiàn)倒流現(xiàn)象；因此，為避免倒流現(xiàn)象，應(yīng)增大ΔP或減小v；

（2）隨著閥針的上升，流量逐漸增大，上升至約0．5mm時(shí)，流量保持平穩(wěn)，與之前分析一致。

圖11 v／ΔP比對(duì)熔體流量的影響Fig．11 Influence of the ratio between vand ΔPon melt flow rate

圖12 不同v／ΔP熔體流量變化情況Fig．12 Melt flow rate at different ratio between vandΔP

3 結(jié)論

（1）閥控式熔體微分3D打印機(jī)不僅可以打印剛性聚合物材料，還可適應(yīng)軟彈性材料TPU等的打印要求，并可實(shí)現(xiàn)顆粒料直接打印，解放了對(duì)耗材形態(tài)的要求，進(jìn)一步降低了耗材成本；

（2）熔體微分3D打印機(jī)工作特性取決于各參數(shù)共同作用：擠出流量與v、v／c均呈正相關(guān)關(guān)系，且閥針距噴嘴越近、v／c越大，流量波動(dòng)越大，可選擇直徑較小的閥針，且在臨近到達(dá)噴嘴位置時(shí)，通過降速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出；Lv小于0．5mm時(shí)，會(huì)對(duì)熔體擠出產(chǎn)生阻塞作用，Lv過大時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)閥開合時(shí)間，一般Lv設(shè)定0．5～1mm為最佳；v／ΔP大于0．5時(shí)，熔體出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。

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國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目聚合物材料的輕量化技術(shù)（2016YFB0302200）

隨著我國(guó)航天航空、國(guó)防、能源、交通、包裝、電器、運(yùn)動(dòng)器械等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)輕量化的高性能材料需求越來越迫切。具有優(yōu)異機(jī)械性能和絕熱、隔音、絕緣、緩沖等特性的高性能聚合物發(fā)泡材料及其制造技術(shù)受到廣泛關(guān)注，可以為眾多關(guān)系國(guó)計(jì)民生的行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)基礎(chǔ)原材料。

采用以二氧化碳（CO2）和氮?dú)獾葹榇淼某R界流體作為環(huán)境友好和安全易用的發(fā)泡劑進(jìn)行聚合物輕量化材料制備，屬于綠色制造新技術(shù)。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2015年）》中明確提出“超臨界二氧化碳發(fā)泡塑料制品產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”是優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)。超臨界流體發(fā)泡工藝具有飽和時(shí)間短、成核速率高、泡孔尺寸小、泡孔密度高且泡孔形態(tài)容易控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制備微孔甚至納孔材料，近20年發(fā)展迅速，已由理論和實(shí)驗(yàn)研究陸續(xù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。

本項(xiàng)目運(yùn)用綠色高效發(fā)泡工藝，開展聚合物輕量化的應(yīng)用基礎(chǔ)－共性技術(shù)－產(chǎn)業(yè)化示范的“一條鏈?zhǔn)健毖芯?，并主要針?duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)專用高強(qiáng)度聚氨酯絕熱材料制備和超臨界流體發(fā)泡聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚氨酯彈性體（TPU）等熱塑性聚合物，從發(fā)泡原材料體系、發(fā)泡工藝、發(fā)泡設(shè)備、發(fā)泡材料結(jié)構(gòu)－性能調(diào)控及制件成型等各方面開展系統(tǒng)深入的研究工作，為高性能聚合物發(fā)泡材料制備的“優(yōu)化、強(qiáng)化和工程化”提供理論和技術(shù)支撐，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列聚合物發(fā)泡材料先進(jìn)制造技術(shù)，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化示范。

項(xiàng)目圍繞“聚合物及其復(fù)合材料體系的多層次多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)泡過程與發(fā)泡體結(jié)構(gòu)－性能關(guān)系”、“超臨界流體、聚合物及其復(fù)合材料體系的混合及熱／質(zhì)傳遞過程強(qiáng)化”等重要科學(xué)問題，設(shè)置了應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題“超臨界流體發(fā)泡聚合物過程及發(fā)泡材料結(jié)構(gòu)－性能調(diào)控”和“反應(yīng)與發(fā)泡過程耦合制備聚合物發(fā)泡材料及其結(jié)構(gòu)－性能調(diào)控”，采用多尺度分子模擬、實(shí)驗(yàn)研究、過程模擬相結(jié)合的手段，設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的發(fā)泡原材料結(jié)構(gòu)，測(cè)定發(fā)泡體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制發(fā)泡過程熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)變化，協(xié)調(diào)匹配聚合物力學(xué)狀態(tài)／性質(zhì)、反應(yīng)／原位復(fù)合與氣泡的成核和生長(zhǎng)等過程，形成發(fā)泡材料結(jié)構(gòu)－性能調(diào)控策略等。關(guān)鍵共性技術(shù)課題“連續(xù)發(fā)泡過程及其發(fā)泡材料成型的關(guān)鍵技術(shù)”和“間歇發(fā)泡過程及其發(fā)泡材料成型的關(guān)鍵技術(shù)”，將主要解決增強(qiáng)結(jié)構(gòu)填料在黏度動(dòng)態(tài)變化的聚合體系中界面浸潤(rùn)、高效均勻分散、發(fā)泡體受限生長(zhǎng)以及超臨界流體釜壓、模壓和連續(xù)擠出發(fā)泡的工藝優(yōu)化和關(guān)鍵設(shè)備，以及隔熱材料／增強(qiáng)材料與聚合物發(fā)泡體的復(fù)合、發(fā)泡珠粒／片材的低能耗模塑成型等技術(shù)，形成高效間歇發(fā)泡和可控連續(xù)發(fā)泡的創(chuàng)新技術(shù)。產(chǎn)業(yè)化示范課題“高性能聚合物發(fā)泡材料制備的產(chǎn)業(yè)化示范及應(yīng)用”重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)泡過程工程放大規(guī)律研究，優(yōu)化工程實(shí)施方案，建立系列示范裝置，開展發(fā)泡材料及其制品性能測(cè)試和評(píng)估、應(yīng)用領(lǐng)域拓展等工作。

項(xiàng)目及課題牽頭單位分別為華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)和北京工商大學(xué)，在高熔體強(qiáng)度發(fā)泡原材料制備、超臨界CO2與聚合物相互作用、連續(xù)／間歇發(fā)泡過程關(guān)鍵工藝和設(shè)備、泡孔結(jié)構(gòu)－性能調(diào)控等方面，多年來已開展了與國(guó)際同步的高水平研究；項(xiàng)目參與單位浙江浦森新材料科技有限公司、無錫會(huì)通輕質(zhì)材料股份有限公司、浙江新恒泰新材料有限公司、河北格瑞爾斯塑機(jī)制造有限公司、山東道恩高分子材料股份有限公司、中石化北京化工研究院、上海越科復(fù)合材料有限公司等均為聚合物發(fā)泡材料生產(chǎn)與應(yīng)用的龍頭和創(chuàng)新企業(yè)，擁有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)、產(chǎn)品以及市場(chǎng)份額。

通過本項(xiàng)目實(shí)施，將建設(shè)年產(chǎn)5000m3的高強(qiáng)度聚氨酯絕熱材料生產(chǎn)裝置，釜壓發(fā)泡聚丙烯珠粒、模壓發(fā)泡聚丙烯和TPU微孔片板材、連續(xù)擠出發(fā)泡寬幅聚丙烯片板材等系列千噸級(jí)超臨界CO2發(fā)泡熱塑性聚合物工業(yè)生產(chǎn)裝置，相關(guān)發(fā)泡材料性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，應(yīng)用于液化氣儲(chǔ)運(yùn)、汽車、包裝、新能源、家電、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域，并拓展在航天航空、電子材料、高鐵等領(lǐng)域的應(yīng)用。本項(xiàng)目將促進(jìn)塑料加工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，大幅提升我國(guó)聚合物發(fā)泡生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)聚合物發(fā)泡產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，保障其健康可持續(xù)發(fā)展。項(xiàng)目發(fā)展和創(chuàng)新的聚合物發(fā)泡理論方法和關(guān)鍵共性技術(shù)，以及形成和建設(shè)的發(fā)泡過程裝置／系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)化工程方案和產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)模式都具有普遍意義，可以指導(dǎo)并應(yīng)用于眾多品種熱塑性聚合物及熱固性聚合物的高性能發(fā)泡材料制備。

Study on Operating Characteristics of Valve Controlled Melt Differential 3DPrinters

XIONG Han1，JIAO Zhiwei1＊，CHI Baihong2，LIU Xiaojun1，YANY Weiming1
（1．Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2．Beijing Research Institute of Satellite Information Engineering，Beijing，100086，China）

This paper presented a valve－controlled melt differential pellet 3Dprinter used for direct print with a variety of plastic particles and also simulated the extrusion process of non－Newtonian fluid in the valve cavity by using a multiphase flow and a dynamic grid technique．It was found that there is a positive correlation between extrusion flow rate and downward speed of the valve needle as well as between the ratio of valve needle and valve cavity diameters．The closer the valve needle to the nozzle，the greater the diameter ratio，and the greater the fluctuation of flow rate．The optimal valve needle movement distance could be determined as 0．5～1mm．Moreover，the extrusion flow rate was improved with an increase of the ratio of the valve and valve cavity diameters．The larger the diameter ratio，the greater the fluctuation of flow rate．The melt exhibited a back flow phenomenon，when the ratio of the valve needle movement speed and back pressure was greater than 0．5．When the process parameters were accurately controlled，the steady extrusion could be realized and the precision of molded parts could be improved．

three dimensional printing；melt differential；valve－controlled system；dynamic grid technology

TQ320．66＋9

B

1001－9278（2017）07－0126－06

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．021

2017－03－15

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51403014）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016B090915001）

＊聯(lián)系人，jiaozw＠m(xù)ail．buct．edu．cn