一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法，步骤为：基于直写打印机的结构和墨水挤出过程构建墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型，根据两个流动模型得到墨水的体积模量计算公式，分别测试得到墨水的密度、屈服应力和迟滞时间；将测试结果代入体积模量计算公式中得到墨水的体积模量；该方法直接利用了墨水在直写打印机中的挤出过程，节约了材料，且直观精确地反应了墨水在直写打印实际挤出过程中的体积模量，具有较高的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法


[0001]本专利技术涉及增材制造中材料的物理特性参数测量
，特别涉及一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法。

技术介绍

[0002]根据美国材料与试验协会(ASTM)在发布的增材制造标准ISO/ASTM52900:2015，增材制造技术划分为7类：粘结剂喷射技术，直接能量沉积技术，材料挤出技术，材料喷射技术，粉床融化技术、层压技术以及光聚合技术。直写打印按照原理归属于增材制造技术中的材料挤出技术，其原理是将需要加工的材料制备为打印性能良好的浆状或糊状的名为“墨水”的原材料并通过机械力(活塞或螺杆驱动)或气动力将墨水从喷嘴挤出成为连续的细丝，细丝通过层层堆积成为三维零部件。与其他类型的增材技术相比，直写打印的最大优势是材料兼容性，即只要能制备为浆状或糊状的墨水的材料均可以在该技术下实现三维实体零部件成型。
[0003]直写打印中墨水的体积模量是墨水的一个重要物理特性参数，关系到墨水在直写打印机挤出成细丝的过程。对墨水的体积模量进行精确的测量和确定，对分析墨水在直写打印中的挤出过程、预测挤出细丝的质量等方面有重要的意义。直写打印中墨水属于粘弹性流体，现有的确定粘弹性流体体积模量的方法分为两大类：第一类为直接测量法，根据体积模量的定义，通过测量压力与体积的改变关系计算得到体积模量；第二类为间接测量法，通过测量材料的声学特性或者振动特性进行参数反演获得体积模量。利用这两类方法在确定直写打印中墨水的体积模量时，均存在着需要耗费大量材料、测量结果与测量装置相关导致测量的体积模量在用于墨水在实际挤出过程的评估中精度不够的问题。
[0004]因此，基于上述问题，有必要提出一种节约材料且使测量结果与墨水在实际挤出过程中体现的体积模量高度相符的确定直写打印中墨水的体积模量的方法有着巨大意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种利用了墨水在直写打印机中的挤出过程实现直观精确地反应了墨水在直写打印实际挤出过程中的体积模量的确定直写打印中墨水的体积模量的方法。
[0006]为此，本专利技术技术方案如下：
[0007]一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法，具体实施步骤如下：
[0008]S1、基于直写打印机的结构和墨水挤出过程，分别构建墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型；
[0009]S2、基于步骤S1构建的墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型，得到墨水的体积模量计算公式；
[0010]S3、获取墨水的密度；
[0011]S4、获取墨水的屈服应力；
[0012]S5、获取墨水的迟滞时间；
[0013]S6、将经过步骤S3～S5获得的结果代入至步骤S2的墨水的体积模量计算公式中，计算得到墨水的体积模量。
[0014]进一步地，在步骤S1中，
[0015]针管中的流动模型表示为：
[0016]式中，V0为针管内墨水的初始体积，A
p
为针管的内截面积，v
p
为活塞的向下移动速度，t为挤出时间，dp为针管内墨水的压力变化，Q为墨水挤出针管的流量，B为墨水的体积模量，dt为时间变化；
[0017]墨水在喷嘴中的流动模型表示为：
[0018]式中，p为针管内墨水的压力，τ
w
为墨水在喷嘴壁面上的剪切应力，D
n
为喷嘴的内径，L
n
为喷嘴的长度，p为针管内墨水的压力，ρ为墨水的密度，g为重力加速度9.8m/s2，u为墨水在喷嘴内的平均流速。
[0019]进一步地，步骤S2中，墨水的体积模量B的测量公式为：
[0020][0021]式中，L
s
为墨水在针管里的初始填充长度，v
p
为活塞的向下移动速度，t
c
为迟滞时间，D
n
为喷嘴的内径，L
n
为喷嘴的长度，τ0为墨水的屈服应力，ρ为墨水的密度，g为重力加速度为9.8m/s2。
[0022]进一步地，在步骤S3中，墨水的密度通过密度试验获得：取适量墨水装入体积V的比重瓶中，测量比重瓶装入墨水后的重量变化为m，计算得到墨水的密度：ρ＝m/V。
[0023]进一步地，在步骤S4中，墨水的屈服应力通过剪切应力斜坡试验获得：使用流变仪对墨水进行剪切应力斜坡试验，在试验中选用旋转圆板间距为1mm，圆板直径为25mm的平板
‑
平板结构放置墨水；通过控制剪切应力从0.01Pa到100Pa来测量得到粘度
‑
剪切应力数据，采样点设置为每十倍程有5个采样点，试验温度为室温；以剪切应力为横坐标，粘度为纵坐标作粘度
‑
剪切应力数据的曲线图，在粘度
‑
剪切应力数据的曲线图中，分别作粘度平缓区和粘度下降区的切线，两条切线交点的横坐标为墨水的屈服应力τ0。
[0024]进一步地，在步骤S5中，墨水的迟滞时间通过挤出试验获得，其具体试验步骤为：将墨水填充满针管和喷嘴放入直写打印机中，将高速摄像机正对直写打印机的挤出部分，利用高速摄像机记录挤出过程，对挤出过程录像进行处理，得到活塞开始运动时刻和墨水开始被挤出时刻，通过计算墨水开始被挤出时刻与活塞开始运动时刻的差值即可得到迟滞时间t
c
。
[0025]与现有技术相比，该确定直写打印中墨水的体积模量的方法解决了目前确定粘弹性流体体积模量的直接测量法和间接测量法在确定直写打印中墨水的体积模量时存在的需要耗费大量材料、以及测量结果与测量装置相关导致测量的体积模量在用于墨水在实际挤出过程的评估中精度不够的问题，提出了一种节约材料，且测量结果与墨水在实际挤出过程中体现的体积模量高度相符的墨水体积模量确定方法；该方法直接利用了墨水在直写
打印机中的挤出过程，节约了材料，且直观精确地反应了墨水在直写打印实际挤出过程中的体积模量，该方法确定的体积模量可以直接用于分析墨水在直写打印中的挤出过程、预测挤出细丝的质量，具有较高的精度。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的确定直写打印中墨水的体积模量的方法的流程图；
[0027]图2为本专利技术涉及的直写打印机的挤出装置的结构及主要几何尺寸的示意图；
[0028]图3为本专利技术的实施例1中某纤维素生物墨水通过剪切应力斜坡试验获得的粘度
‑
剪切应力曲线图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本专利技术有任何限制。
[0030]如图1所示，采用本申请的方法对以某纤维素生物墨水的体积模量进行确定，其具体实施步骤如下：
[0031]S1、建立墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型；
[0032]具体地，该步骤S1的具体实施过程如下：
[0033]由于该方法的设计初衷为提出一种在墨水在直写打印机中的挤出过程实现打印中墨水的体积模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种确定直写打印中墨水的体积模量的方法，其特征在于，步骤如下：S1、基于直写打印机的结构和墨水挤出过程，分别构建墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型；S2、基于步骤S1构建的墨水在针管中的流动模型和墨水在喷嘴中的流动模型，得到墨水的体积模量计算公式；S3、获取墨水的密度；S4、获取墨水的屈服应力；S5、获取墨水的迟滞时间；S6、将经过步骤S3～S5获得的结果代入至步骤S2的墨水的体积模量计算公式中，计算得到墨水的体积模量。2.根据权利要求1所述的确定直写打印中墨水的体积模量的方法，其特征在于，在步骤S1中，针管中的流动模型表示为：式中，V0为针管内墨水的初始体积，A
p
为针管的内截面积，v
p
为活塞的向下移动速度，t为挤出时间，dp为针管内墨水的压力变化，Q为墨水挤出针管的流量，B为墨水的体积模量，dt为时间变化；墨水在喷嘴中的流动模型表示为：式中，p为针管内墨水的压力，τ
w
为墨水在喷嘴壁面上的剪切应力，D
n
为喷嘴的内径，L
n
为喷嘴的长度，p为针管内墨水的压力，ρ为墨水的密度，g为重力加速度9.8m/s2，u为墨水在喷嘴内的平均流速。3.根据权利要求2所述的确定直写打印中墨水的体积模量的方法，其特征在于，步骤S2中，墨水的体积模量B的测量公式为：式中，L
s
为墨水在针管里的初始填充长度，v
p
为活塞的向下移动速度，t
c
为迟滞时间，D
n
为喷嘴的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡庆中，涂勇强，杨功流，李晶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：