[发明专利]一种确定直写3D打印墨水粘度的方法

说明书

本发明公开了一种确定直写3D打印墨水粘度的方法，步骤如下：S1、确定直写3D打印墨水的粘度模型的表达式，S2、利用剪切应力斜坡实验得到墨水的粘度‑剪切应力数据，进而通过将数据绘制在双对数坐标系中得到墨水的极限粘度和屈服应力；S3、利用剪切扫描实验得到墨水的粘度‑剪切速率数据，进而利用遗传算法得到墨水的稠度系数和流动系数的最优解；S4、将墨水的极限粘度、屈服应力、稠度系数和流动系数代入粘度模型中，得到墨水的粘度表征结果；该方法实现了充分表征墨水在直写3D打印中的流动特性的目的，准确、完备地反应了墨水在直写3D打印中的流动特性，操作简单、精度高、实用性佳。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种确定直写3D打印墨水粘度的方法。

背景技术

直写3D打印是近年来最受欢迎的增材制造技术之一，按照工作原理归属于材料挤出式增材制造技术，其工作原理为：将材料制备为打印性能良好的墨水，通过活塞将墨水从针管挤出通过在基板上的层层堆积成为三维零件。相对于其他增材制造技术，该技术在材料兼容性和设备灵活性方面具有突出的优势。目前适用于该技术的材料包括高分子材料、生物材料、导电金属材料、陶瓷材料、纤维素材料以及具有声光电磁热等物理效应的功能材料，应用领域涵盖橡胶工程、组织工程和再生医学、电池、电子电路、陶瓷工程、服装、传感器、4D打印等。

直写3D打印墨水粘度是决定墨水可打印性能的最重要参数，同时也是利用解析式分析法和数值仿真分析法进行直写3D打印工艺分析的重要输入条件。确定精确的、充分表征墨水在直写3D打印中的流动特性的、完备的直写3D打印墨水粘度对评估墨水的可打印性能和直写3D打印的工艺分析具有重要意义。

授权发明专利CN112749488B提出了一种纤维素生物墨水黏度特性预测方法，该方法虽然为直写3D打印墨水粘度的确定给出了指导方案，但是该方法只依靠剪切扫描实验获得的剪切速率-黏度数据来确定墨水粘度，忽略了墨水在直写3D打印中的形状保持特性。然而，在直写3D打印墨水在挤出沉积过程中，影响3D打印效果最重要的因素不仅包括剪切变稀特性，还包括形状保持特性，而上述授权发明专利CN112749488B公开的方法仅从墨水的剪切变稀特性进行了粘度预测，而没有考虑墨水形状保持特性的因素，因而该方法确定的粘度无法充分表征墨水在直写3D打印中的流动特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决上述现有技术问题，实现从剪切变稀特性和形状保持特性两方面表征出墨水流动特性的确定直写3D打印墨水粘度的方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种确定直写3D打印墨水粘度的方法，步骤如下：

S1、确定直写3D打印墨水的粘度模型的表达式为：

式中，μ为墨水的粘度，为剪切速率，μ₀为墨水的极限黏度，τ₀为墨水的屈服应力，k为墨水的稠度系数，n为墨水的流动系数；

S2、获得墨水的极限粘度和屈服应力，包括：

S201、利用剪切应力斜坡实验，获得墨水的粘度-剪切应力数据；

S202、将墨水的粘度-剪切应力数据绘制在双对数坐标系中，得到粘度-剪切应力曲线，并分别作曲线起始的平稳段切线和曲线下降速率最快曲线段的切线，两条切线的交点的横坐标和纵坐标分别为墨水的屈服应力τ₀和极限粘度μ₀；

S3、获得墨水的稠度系数和流动系数，包括：

S301、利用剪切扫描实验，获得墨水的粘度-剪切速率数据；

S302、将由步骤S2获得的墨水的屈服应力τ₀和极限粘度μ₀代入至墨水粘度模型中；