增材制造剪切增稠流体增强模具在汽化箔片驱动成形中的创新分析与性能优化

为解决传统冲压模具成本高、周期长的问题，研究人员开展了一种新型液体-固体复合模具的研究，该模具由增材制造（AM）聚合物外壳和剪切增稠流体（STF）组成，应用于汽化箔片驱动成形（VFAF）工艺。研究确定了初始汽化压力（pv）和STF粘度（如玉米淀粉浓度）的工作范围，实现了钛板的成功成形，并通过数值模拟验证了STF在能量吸收中的关键作用（约50%），为低批量、个性化零件制造提供了高效灵活的解决方案。

　　

在传统金属板料成形领域，制造几何形状复杂的零件通常需要依赖专用的刚性模具，如冲头和凹模，这些模具通常从实心材料机械加工而成，专为特定零件设计定制。这种传统方法使得模具制造过程既耗时又成本高昂。虽然在大规模生产中，由于成本可分摊到大量相同零件上，这些高成本尚可接受，但对于小批量或单件生产，模具成本分摊到每个零件上仍然很高，成为显著缺点。近年来，研究努力集中在通过降低制造和材料成本来减少模具费用，同时提高模具灵活性，以便用同一模具系统制造不同设计的零件。增材制造（Additive Manufacturing, AM）工艺可以减少模具的材料使用量，例如通过粉末床熔融结合拓扑优化来减少弯曲模具所需的固体材料。然而，增材制造虽然提供了模具几何形状上的巨大设计自由，但这往往以延长制造时间为代价，影响过程效率。混合制造方法，如板材层压和增材制造，可以进一步最小化固体材料的使用并缩短制造时间。尽管如此，混合增材制造仍然依赖于两个固定几何形状的工具（冲头和凹模）来生产一个零件设计，因此仍然不适合单件生产。其他方法如橡胶垫成形使用柔性橡胶垫替代一个工具部分，或柔性销矩阵替代两个固定几何形状工具，以及单点渐进成形（Single Point Incremental Forming, SPIF）完全避免使用任何特定几何形状的工具。但SPIF的几何精度较低，主要由于局部成形区域的弹性回弹，必须在工艺设计中考虑以确保尺寸精度。

相比之下，脉冲成形工艺由于冲击波在板料厚度方向传播，释放残余应力和应变，从而减少弹性回弹。此外，基于工作介质或能量的脉冲工艺本质上用柔性高强度脉冲压力替代刚性冲头。然而，迄今为止，在脉冲成形中使用铣削固体模具仍然常见，这对于小批量生产仍然效率低下。例如，在电液成形中，固体钢模可以被块状增材制造聚合物模具替代，能够承受板的动态冲击。增材制造使得塑料外壳的快速、成本效益高且几何灵活制造成为可能。在此基础上，研究人员开发了一种新型柔性液体-固体工具概念。这种方法中，一个薄的增材制造聚合物模具赋予板料预期形状，并由剪切增稠流体（Shear-Thickening Fluid, STF）提供机械支撑。STF是非牛顿悬浮液，由颗粒和载体流体组成。在低剪切速率下，它们像常规流体一样行为，而在高剪切速率下，它们的流动阻力显著增加，可以抵抗冲击。几种自洽理论被提出来解释这种行为，主要基于颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用，包括有序-无序转变、水簇化、固化和摩擦接触理论。STF的能量耗散特性使其在个人防护、运输、制动系统、阻尼装置和机械加工等领域有广泛应用。在电磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）中，STF首次被用于支撑AM模具，防止回弹并吸收剩余动能，从而实现所需几何形状。STF的优势在于它可以恢复到液态，允许在不同模具几何形状之间重复使用，提供更大的灵活性和基本上与零件几何形状无关的特性。

然而，EMF的局限性在于其对工件电导率的依赖，从而限制其用于高导电材料。为了克服这一限制，可以采用汽化箔片驱动成形（Vaporizing Foil Actuator Forming, VFAF），它还可以提供与EMF不同的压力分布。VFAF在板料成形中的应用是一种相对较新的方法，最初由Daehn小组获得专利。在板料成形中，通常使用狗骨形状的箔片（如铝箔）作为驱动器。箔片连接到电容器组，其具有电阻R、电感L和电容C。电容器组的放电导致高电压U(t)和电流I(t)流过驱动器，在几微秒内引起箔片的电阻加热，导致其爆炸性膨胀。这种汽化产生用于成形工艺的脉冲压力。在VFAF中，脉冲压力作用于聚氨酯垫（Polyurethane, PU），并传递到上方的金属板，加速板料并导致塑性变形，从而生产零件。PU垫是绝缘体，保护板料免受电弧影响。研究发现，更薄的PU垫传输更高的压力脉冲。过程中，板料的动能主要转化为塑性功，从而成形板料。与其他板料脉冲成形工艺相比，柔性、相对便宜、一次性使用的驱动器的优势在于不需要昂贵的工具设计，如电磁成形所需的线圈。此外，也可以成形非导电板料材料。

尽管VFAF具有这些优势，但直到现在，使用铣削固体模具在脉冲成形中仍然常见，这对于小批量生产仍然效率低下。因此，本研究旨在分析一种新型的增材制造模具，该模具由剪切增稠流体增强，用于汽化箔片驱动成形。研究的主要目标是确定新型液体-固体工具概念的关键工艺参数，包括分析脉冲压力、STF特性（特别是粘度）和增材制造聚合物模具（AM-die）对成形结果的影响。通过实验和数值模拟，研究首次为VFAF工艺建立了工作范围，并验证了数值模型的有效性，为未来工艺设计提供了预测性工具。

为开展研究，研究人员采用了几个关键技术方法。实验部分使用自定义设置连接到Maxwell Magneform 7000电容器组，最大输入能量E_inp. = 12 kJ，通过变化输入能量调整初始汽化箔片压力p_v。使用0.05 mm厚的铝箔作为驱动器，PU垫作为中间层，钛板（Grade 2, 0.5 mm厚）作为工件。模具持有器包含AM聚合物模具（ABS材料）和STF（玉米淀粉和水混合物），通过变化玉米淀粉浓度（45-80 wt%）和流体高度分析STF粘度的影响。使用Photon-Doppler-Velocimetry (PDV) 传感器测量板料中心速度和时间位移，电气电流和电压由示波器记录。成形零件的几何形状通过ATOS Triple Scan系统扫描，几何偏差δ作为模拟到实验的正常距离测定，测量精度±0.03 mm。数值模拟使用ABAQUS/Explicit 2022，由于箔片汽化的对称性，使用四分之一模型。材料模型包括钛板的Zerilli-Armstrong本构关系、PU的线性粘弹性模型、ABS的冲击方程状态（EOS）和STF的粘度-剪切速率关系。脉冲压力负载通过指数衰减函数实现，并考虑了箔片汽化前的膨胀效应以扩大压力应用区域。通过校准压力衰减时间t_d = 1.3 μs，使模拟与实验结果吻合。

研究结果部分通过多个子章节详细展示了实验和模拟的发现。首先，分析了汽化箔片压力对成形结果和增材制造模具的影响。实验表明，初始汽化压力p_v必须在特定范围内（1475 MPa ≤ p_v ≤ 1644 MPa）才能实现充分成形：压力过低（p_v < 1116 MPa）导致模具填充不足，压力过高（p_v > 1644 MPa）导致AM模具分层失效。对于截头锥体几何形状（基座直径120 mm，高度20 mm），有效压力范围确保了板料与模具的完全接触，而超出此范围则会引起AM模具的层间分层。

其次，研究了液体-固体工具中STF对成形结果和AM模具的影响。实验发现，在没有STF的情况下，即使使用在STF支持下有效的汽化压力（p_v = 1563 MPa），AM模具也会在周向上分层并完全失效，导致非旋转对称的未完全成形零件。这证实了STF在支撑AM模具中的必要性。此外，通过变化流体高度（h_F从5 mm到45 mm），发现液体-固体转变应变对成形结果没有显著影响，即使小量STF（5 mm高度）也足以支持AM模具。然而，STF粘度（通过玉米淀粉浓度变化）显著影响工作范围的上限。玉米淀粉浓度在52.5 wt%到60 wt%之间提供了足够的支撑，低于或高于此范围会导致模具失效。在80 wt%时，STF失去流体特性，类似于潮湿颗粒介质，减少了支撑能力。

基于这些结果，研究定义了新型柔性液体-固体工具的工作范围：初始汽化压力1475 MPa ≤ p_v ≤ 1644 MPa，玉米淀粉浓度52.5 wt% - 60 wt%。在此范围内，可以成功成形钛板零件，而不会导致模具失效。增加AM模具厚度可以扩展压力上限，但这与最小化固体材料使用的设计意图冲突。

数值模拟部分验证了工艺模型。通过比较实验和模拟的位移-时间曲线、最终几何形状和板料厚度，发现模拟结果与实验数据吻合良好。模拟预测的最终位移u_{final, num.} = 21.14 mm落在实验范围（20.97 mm to 22.68 mm）内，且没有回弹现象。尽管模拟预测的最大速度v_{max, num.} = 386 m/s高于实验测量（185 m/s to 232 m/s），但最终几何形状可比，允许代表性分析。几何偏差平均为δ_average = -0.095 ± 1 mm， within 实验自然变异（±1.4 mm）。板料厚度分布也一致，法兰保持原始厚度，垂直壁向顶部基座逐渐减薄。模拟还揭示了压力区域扩展的重要性：忽略汽化前膨胀会导致模具填充不足，而包含扩展区域（宽度b_v = 52.89 mm）则显著改善填充效果。

数值分析进一步探讨了工具能量分布和模具失效预测。能量分析显示， upon sheet impact, STF贡献约45%的总工具能量，AM模具贡献55%，表明两者在能量吸收中均起关键作用。为评估AM模具失效风险，研究了体积弹性应变能密度（Volumetric Elastic Strain Energy Density, VESED），并与ABS的冲击韧性（J = 7.07 ± 2.94 kJ/m2）比较。模拟预测5 mm厚AM模具会失效（VESED超过下限），而10 mm厚模具则安全。实验验证了这一点：5 mm模具在p_v = 1607 MPa下分层失效，而10 mm模具未失效。这证实了VESED方法可用于评估AM模具的冲击阻力，减少未来应用中的实验努力。

研究结论部分总结了主要发现。 impulse压力必须选择在特定范围内以确保充分成形；STF填充高度不影响结果，但粘度（玉米淀粉浓度）必须使STF在冲击下呈现固液行为以支撑AM模具；AM模具厚度需足够抵抗冲击，同时最小化材料使用；数值VESED评估可预测模具失效。 developed工作范围依赖于 impulse压力、玉米淀粉浓度和AM模具冲击厚度。新型工具概念实现了时间、材料和成本高效的单件板料零件生产。数值模型可用于未来确定所需 impulse压力和最小聚合物模具厚度，从而设计其他零件几何形状的工艺。

讨论部分强调了研究的意义和未来方向。 STF的 strain-rate敏感性需进一步研究，以拓宽方法适用性，可能 enabling 传统冲压机生产经典车备件或其他艺术、医疗零件。数值模型首次提供了预测性设计能力，减少了对耗时昂贵实验的依赖。 Overall, 研究通过实验和模拟结合，为柔性工具在脉冲成形中的应用提供了实用指南，推动了低批量、个性化制造的发展。

该论文发表在《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》上，通过创新性地结合增材制造和智能流体技术，解决了传统成形工艺的瓶颈问题，为先进制造领域提供了有价值的见解和工具。