基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法

本发明属于陶瓷基功能梯度材料制备与增材制造，尤其涉及一种基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法。

背景技术：

1、在众多的增材制造技术中，直写成形凭借着结构与工艺简单、材料适用性广等优势，已经逐渐成为制备复杂梯度变化的陶瓷基功能梯度材料零件的重要手段。浆料在混料腔中的实时混合是直写成形工艺不可或缺的步骤，混料结构利用单螺杆实现浆料混合和挤出成形，在浆料进给量相同的前提下，螺杆转速决定了打印能力，螺杆转速越大，打印能力越强，而混料结构的参数会直接影响螺杆转速，同时会间接影响打印延迟距离和打印分辨率，因此混料结构优化对于提升打印能力具有重要意义。

2、单螺杆混料结构的优化参数包括螺槽宽度、螺槽深度、螺杆大径、螺杆长度、压缩角度以及挤出段长度六种，传统方法往往采用试错法优化混料结构的参数，即逐一计算不同参数组合下的螺杆转速，最小螺杆转速对应的参数组合即为最优参数组合；由于参数种类和每个参数的取值较多，获得最优参数组合需要很高的时间成本。

3、因此，本发明提出一种直写成形单螺杆混料结构的优化方法，基于全局优化算法获得最佳参数组合，使得螺杆转速的数值解最小，提高打印能力的同时保证了打印质量。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法。

2、本发明解决所述技术问题采用如下的技术方案：

3、一种基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法，混料结构包括料筒和螺杆，料筒分为混料段和压缩挤出成形段；其特征在于，该方法的待优化参数包括螺槽宽度、螺槽深度、螺杆大径、螺杆长度、压缩角度和挤出段长度六种，包括以下步骤：

4、步骤一：根据质量守恒原理，建立约束条件为：

5、

6、式中，qin、qout分别表示混料结构的进给流量和挤出流量，d表示挤出针头直径，vs表示打印平台移动速度；

7、步骤二：根据浆料在料筒内的流量与压力平衡关系建立式(2)的参数模型；

8、

9、

10、

11、

12、式(2)～(5)中，qs为螺杆的挤出运输流量，qd为起正向挤出作用的拖拽流量，qp为起混合作用的压力流量，n为浆料的剪切流变行为指数，w为螺槽宽度，h为螺槽深度，vbz为浆料沿槽向的流动速度，δpb为压缩挤出成形段的压力差，μ为浆料的剪切粘度，ls为螺杆长度，ds为螺杆大径，ns为螺杆转速，为螺旋升角，k为浆料的剪切流变指数；

13、步骤三：以螺杆转速的数值解最小为目标，考虑约束条件，利用全局最优算法得到最优参数组合，完成直写成形单螺杆混料结构优化。

14、进一步的，压缩挤出成形段的压力差表示为：

15、

16、式中，θ为压缩角度，m为浆料的拉伸流变行为指数，l为挤出段长度，kσ为浆料的拉伸流变指数。

17、进一步的，浆料的剪切和拉伸流变指数表示为：

18、

19、

20、式中，τ、σ分别为浆料的剪切应力和拉伸应力，分别为浆料在剪切应力和拉伸应力作用下产生的应变速率。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明根据浆料在料筒内的流量与压力关系建立了参数模型，同时基于质量守恒原理建立约束条件，以螺杆转速的数值解最小为目标，利用全局优化算法进行寻优，对混料结构进行优化，缩短了优化时间。从实验结果可知，优化后的螺杆转速明显减小，在进给量相同的情况下，打印能力明显提升，打印平台可以匹配更高的移动速度，同时缩短了打印延迟距离，进而改善了打印分辨率。

技术特征：

1.一种基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法，混料结构包括料筒和螺杆，料筒分为混料段和压缩挤出成形段；其特征在于，该方法的待优化参数包括螺槽宽度、螺槽深度、螺杆大径、螺杆长度、压缩角度和挤出段长度，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法，其特征在于，压缩挤出成形段的压力差表示为：

3.根据权利要求2所述的基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法，其特征在于，浆料的剪切和拉伸流变指数表示为：

技术总结
本发明为一种基于全局优化算法的直写成形单螺杆混料结构优化方法，待优化参数包括螺槽宽度、螺槽深度、螺杆大径、螺杆长度、压缩角度和挤出段长度六种；首先，根据质量守恒建立约束条件；然后，根据浆料在料筒内的流量与压力平衡关系建立参数模型；最后，以螺杆转速的数值解最小为目标，考虑约束条件，将六种待优化参数形成的组合作为全局最优算法的个体，将参数组合对应的螺杆转速作为个体的适应度值，通过迭代寻优得到最优参数组合。不仅缩短了优化时间，而且提升了打印能力，缩短了打印延迟距离。

技术研发人员：段国林,王世杰
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14