油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究_宗学文.pdf

塑料工业 第 卷第 期 年 月油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究宗学文，宋增全，刘亮晶，庞 盈，叶 凡（西安科技大学机械工程学院，增材制造技术研究所，陕西 西安）摘要：为实现油井泥浆计量仪外壳的快速开发和使用验证，结合计算机辅助工程（）和液晶显示光固化技术（）进行了外壳的快速开发。其力学仿真结果表明外壳数模结构满足使用强度要求，在光固化成型过程中不同设备与树脂之间存在一定的匹配性问题，需根据树脂的固化特性调节打印参数从而提高打印质量，最终制得外壳成品经现场使用验证符合设计要求。本研究从产品零件的仿真强度校核，到光固化制造以及使用验证，给出了 技术结合 光固化技术应用于新产品快速开发的全流程，并对 光固化制造中主要的缺陷问题进行了分析和解决。关键词：泥浆计量仪；光固化；力学仿真；快速开发中图分类号：.文献标识码：文章编号：（）：.开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（）（），：；油井泥浆计量仪主要应用于油井开采中的泥浆计量，其外壳结构为薄壁壳体类零件，需满足一定的力学性能要求以及和内部电子元件的装配要求。外壳的加工制造采用传统的注塑加工周期太长，为满足外壳的快速试制用于产品的设计验证、功能验证和使用验证。光固化 打印技术广泛应用于模型制造、轻工业制造、软机器人、微电子、生物医学等相关领域，光固化技术因其独特的性价比优势，给产品的小批量快速开发提供了一种周期短、精度高的产品开发方案。在产品的快速开发过程中，其主要难点在于光固化过程中对光聚合反应的理解和控制。史凤岭等采用基于光固化快速成形和凝胶注模技术的涡轮叶片一体化陶瓷铸型快速成形方法，研究了反应烧结硅粉对陶瓷铸型的高温性能影响规律，实现了一体化陶瓷铸型和涡轮叶片的制备。李万华等通过理论及试验研究了树脂收缩、零件结构变化与变形的关系，建立了变形分析的力学模型，运用有限元计算有效地预测零件的变形趋势。佘亚娟等应用光固化快速成型技术对汽车门把手进行了成型开发，大大缩短了产品开发周期，在汽车零部件改进生产上，发挥了突出作用。宗学文等研究了分层厚度、曝光时间、回合等待时间等因素对制件尺寸精度的影响，通过正交试验和极差分析确定了光固化面成型最高尺寸双紫外臭氧动态掩模高效制造大尺度零件原型的方法研究（），叶轮增材制造产业化应用“科学家工程师”队伍（）通信作者：宗学文，男，年生，副教授，博士，主要研究方向为增材制造。.作者简介：宋增全，男，年生，硕士研究生，主要研究领域为增材制造。.第 卷第 期宗学文，等：油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究精度的最佳参数组合。以上科研人员的研究对于光固化快速开发以及优化打印工艺具有重大参考意义。本文主要建立了 技术结合 光固化技术应用于新产品快速开发的全流程。通过外壳三维数模的力学仿真校核其实际使用中的强度要求，应用 光固化成型技术快速成型外壳实体，并进行使用验证，同时对打印过程中树脂与设备匹配性问题引起的主要成型缺陷问题进行了分析和解决。希望可以对 光固化快速成形技术进行新产品的快速开发以及光固化成型工艺提供一定的技术参考。力学仿真.外壳三维数模如图 所示，该外壳模型为油井泥浆计量显示器外壳的三维模型，由主壳体和矩形盖组成。矩形盖主壳体图 外壳零部件三维数模图 图 为矩形盖，其尺寸为 ，厚度为 ，四个角上对称分布.的固定孔，中间部分用于后期安装显示屏。图 为主壳体，其尺寸为 ，壁厚均为，底部圆角均为 ，把手圆角为 。主壳体由腔体和把手组成，腔体内部放置电路板和其它电气元件，为主要的受力部件。在外壳的结构设计中，尽量减少了面与面、线与线之间的直角过渡，采用圆角过渡，可以有效地减小光固化成型制造过程中的残余应力以及使用过程中的应力集中。.外壳有限元模型为简化有限分析模型，只对负载元件的主壳体进行分析。采用上述模型的结构尺寸作为有限元分析对象，应用 模块对外壳整体进行静力学分析。首先导入外壳的三维数模，所用材料为高韧性光敏树脂，其固化密度为.，泊松比为.，极限拉伸强度为，弹性模量为，其固化后表现为各向同性，密度分布均匀。网格划分单元类型为四面体网格，为提高网格质量以及合理的计算时间，对外壳整体最大 网格划分，并应用网格控制对外壳的 个过渡曲面进行了局部细化，最大 网 格 。得 到 了 节 点，个单元。有限元模型如图 所示。图 外壳有限元模型 .静力学结果分析由于外壳在实际的使用过程意外摔落为小概率模型，故本文不考虑动力学模型，主要模拟分析外壳在实际使用过程中的两种静力学模型。其中受力情况一为模拟仪表外壳水平放置时主壳体腔体内部零件的重力和预紧力对腔体内部的压力作用。边界条件为对壳体与地接触面添加约束，对腔体内部的零件装卸面添加大小 、方向垂直于地面的压力。如图 所示，为该受力情况下外壳的应力及位移云图。由图 可知，仪表壳体在水平放置受力情况下的最大应力为.，最大变形为.。应力的最大值分布在外壳水平放置时的底面和上端面的过渡曲面上，最大变形位于外壳水平放置时下端面的中心处。受力情况二为模拟仪表外壳在移动中把手的受力情况。边界条件为对手提杆添加约束，对壳体添加标准地球重力，对零件装卸面添加大小 的重力，方向与重力方向平行。如图 所示，为该受力情况下外壳的应力变形云图。塑 料 工 业 年 应力云图总变形云图图 内部零件加载仿真 等效应力云图总变形云图图 手提加载仿真 由图 所知，仪表外壳在手提移动的受力情况下的最大应力为.，最大变形为.。最大应力分布在手提把手两端，最大变形位外壳手提时壳体底面拐角处。通过对主壳体的静力学结构分析发现，在极限工况下，对比外壳的主要两种受力情况，所受最大应力为.，小于材料的屈服强度 ，最大变形为.，小于外壳设计的最大变形量。外壳结构的特征尺寸以及成型材料的力学性能参数满足外壳的使用强度要求。外壳光固化成型.打印参数设置采用光固化 设备打印显示器外壳，所用原材料、设备及仪器如下。高韧性商用树脂：，深圳市纵维立方科技有限公司；材料固化后力学性能指标如表 所示。表 固化光敏树脂力学性能指标 密度（）泊松比极限抗拉强度 弹性模量.光固化成型机：型 打印机，广东志乐科技有限公司；固化箱：实验室自制；超声波清洗机：，深圳市钰洁清洗设备有限公司；紫外辐照仪：，台湾泰玛斯仪器仪表；数显千分尺：精度.，南京苏测计量仪器有限公司。.成型缺陷分析商用光敏树脂的最佳工艺参数需与特定打印设备匹配，对于不同光强设备应用同一工艺参数打印同种树脂，很容易引起打印过程中的各种缺陷问题。如 所示，为使用树脂商家给定工艺参数打印的部分失效样件。由于商用树脂的最佳工艺参数需与特定光强的打印设备相匹配，而对于不同设备使用相同工艺参数打印会出现一定的缺陷问题。如图 所示，为打印过程中底层翘曲脱落成型板导致的失效样件。由于工艺参数的不当，光敏树脂在光聚合反应过程中，单体间的范德华作用力距离被尺寸相对较短的饱和共价键长所替代，而且单体向聚合物转化时，自由体积由固化前的松散状态转变为受交联网络束缚的紧密状态会使自由体积的缩小。自由体积的减小造成了固化收缩，固化收缩瞬间造成的内应力难以得到释放，从而第 卷第 期宗学文，等：油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究容易引起材料的翘曲现象。合适的单层曝光时间可以有效的避免打印过程中的翘曲和脱落。翘曲现象支撑断裂失效图 主要失效形式 如图 所示为打印过程支撑断裂导致的失效样件。由于单层固化时间太短引起的欠固化，以及离型膜与成型板之间的剥离力和残余黏着力较大，树脂无法完全平流固化区，树脂黏度过高导致的单层平流固化区不均匀，都容易引起部分支撑断裂现象。.树脂固化特性测试光敏树脂的固化过程遵循 定律，见式（）。固化深度主要受曝光能量影响，见式（）。（）（）式中，固化深度；光的传播深度；曝光能量；临界曝光量；透射光强；曝光时间。由上式可知，光敏树脂在紫外曝光时，以入射光能量 的自然对数 为自变量，固化深度 为因变量，则固化方程可以描述为斜率是，截距是的一条直线。因此，可以通过实验控制入射光能量，测量不同曝光能量下的固化深度，以获得光敏树脂的透射深度和临界曝光量。由于打印所用 光固化成型机曝光强度无法调节，在透射光强 一定的情况下，曝光时间越长，曝光能量越大。树脂的透射深度和单层曝光时间是打印过程中成型质量和成型精度的主要影响因素。为获得匹配实验室打印机的工艺参数，测量了所用商用树脂的固化特性如图 所示。根据实验数据拟合得到固化深度和曝光能量的直线关系图，所得直线的斜率能够表现树脂的透射深.，由该直线的截距可计算得到树脂的临界曝光量 .。由于树脂透射深度为.，因此在进行固化成型时，零件分层厚度不能大于.。经测量，实验室所用 打印机光照强度为.，故单层曝光时间应大于.。因此，理论单层曝光时间只需大于.即可实现固化，但考虑在成型过程中紫外光会透过固化后的树脂，经成型托板反射固化固化层旁边的多余液态树脂，从而引起 平面的固化层实际尺寸大于理论尺寸。故选择合理的曝光时间，可以使溢光与树脂收缩进行相互补偿。经权坤对固化成型精度的研究，单层固化时间在 具有良好的成型精度，故选用 作为本次单层固化时间。图 固化深度 与曝光能量 关系图 .打印结果 光固化打印机为成型板上拉式成型，在成型过程中，所打印实体与成型板之间要承受实体自身质量和树脂黏力，调节底层数和底层曝光时间可以有效防止打印实体脱落成型板。实验人员根据所用树脂的固化特性进行了多次工艺参数调整，确定最终打印参数如表 所示。表 打印参数 项目参数设置打印层厚.底层数曝光时间 底层曝光时间 支撑填充率 打印时间.如图 所示，为仪表外壳的合格成型制件。外壳打印完成后，用铲刀将模型加支撑整体从打印机托盘上取出，放入托盘容器，去除支撑，将外壳放入超声波清洗机，加入无水乙醇清理外壳表面残留树脂，清洗干净后吹干放入固化箱二次固化 ，得到仪表外壳的合格成型制件。塑 料 工 业 年 仪表外壳主壳体矩形盖图 仪表外壳合格成型试样 现场验证由于力学仿真校核结果显示，其最大应力和变形远远小于材料强度和设计尺寸要求，且外壳的工作环境为常温状态，于是本文中主要对外壳进行了装配验证。如图 所示，为油井泥浆计量显示器完成装配，投入现场使用图。图 计量显示器现场使用图 经外壳现场的装配验证和使用验证，外壳成型精度满足装配要求和不同工作环境和受力状况下的强度要求。外壳三维数模的有限元仿真可以快速校核结构设计的合理性，结合 光固化技术应用于产品的快速开发相较于传统注塑工艺能够节省开模成本和制作时间，实现外壳单个或者小批量试制，从而大大缩短生产周期，加快产品迭代速度。但现阶段商用树脂性能的稳定性还无法完全达到注塑级别，对于外壳的快速制造主要应用于设计验证、功能验证和使用验证。结论）通过 技术对主壳体数模的强度校核发现，外壳所受最大应力为.，最大变形为.，满足外壳的使用强度要求和设计最大变形量要求。）在光固化成型过程中，根据树脂的临界曝光量适当调节工艺参数可以解决树脂设备匹配性问题。在打印较重物体时，应适当增大底层数和底层曝光时间，避免成型件脱离托板。）技术结合光固化 技术可以在五天内实现新产品的快速试制，制得成品具有一定的力学性能和成型精度，满足设计要求。参 考 文 献 王世崇，朱雨薇，吴瑶，等光固化 打印技术及光敏树脂的开发与应用 功能高分子学报，（）：，（）：，（）：朱光达，侯仪，赵宁，等光固化 打印聚合物材料的研究进展 中国材料进展，（）：，（）：，刘力松，檀润华，孙建忠，等 快速成形发展原理及在产品开发中的应用 河北工业大学学报，（）：，（）：宗学文，王磊，王小丽，等 打印产业链式创新分析与服务能力研究 技 术 与 创 新 管 理，（）：，（）：，（）：史凤岭，陈义，苗恺，等基于光固化 打印技术的定向晶涡轮叶片快速制造 硅酸盐学报，（）：，（）：赵万华，李涤尘，卢秉恒 基于有限元的光固化快速成形中零件变形研究 机械工程学报，（）：第 卷第 期宗学文，等：油井泥浆计量仪壳体快速开发与现场验证研究 ，（）：佘亚娟，郭奕文，吴巍 光固化成型技术在汽车零部件设计中的应用研究 汽车实用技术，（）：，（）：，宗学文，肖涵