使用EDEM對粉末填充及壓實過程進行仿真分析

粉末壓制成形過程，顆粒間以及顆粒與模壁間存在的內、外摩擦，易使壓坯各部位受力不均，進而導致壓坯密度分布不均或結構不完整等問題。若是壓實前粉末在模具內分布不均勻，也容易出現以上問題。

要可靠地滿足相關的質量標準，就需要對給定的配方進行最佳操作，但操作參數對壓片過程機械性能的影響仍未完全理解，現階段的工藝優化主要通過經驗進行。

通過EDEM離散元仿真技術深入了解粉末系統力學機理，研究粉末填充和壓實過程中顆粒移動和變形的規律，討論并定量描述工藝操作及模具結構對過程性能的影響，為最佳工藝操作提供量化的數據信息，具有重要的實用性。

研究方法

在EDEM中，通過介觀方法對粉末顆粒進行建模，其中：

- 在模型中使用多球法近似了物理顆粒形態

- 使用EEPA接觸模型模擬粉末的粘性-彈性-塑性-內聚行為

- 顆粒與顆粒的相互作用參數與微晶纖維素（MCC）的單軸受限壓縮應力-應變測量值進行了校準

- 顆粒與模具壁的相互作用參數根據 MCC 相對于不銹鋼滑動的壁屈服軌跡測量值進行了校準

圖1：EDEM顆粒形狀、粒徑分布、接觸模型標定結果

仿真結果分析

• 粉末填充水平

使用該EDEM模型評估葉片速度、模具直徑、葉片通過次數對壓實前模具內的粉末質量流量和分布狀態的影響。

如圖所示，仿真獲得了葉片每通過一次模具，該模具內增加的粉末質量數據。

將數據進行歸一化處理，可知葉片通過單個模具的時間（v/D）與粉末在模具內的填充水平 （m/D2）之間近似線性關系，并且這種關系可用于通過提供給定模具直徑和葉片速度組合所需的通過次數來告知壓片操作。（其中 v 是葉片速度，D 是模具直徑，m 是填充質量。）

圖2：葉片速度、模具直徑和葉片通過次數對粉末填充質量的影響

• 粒度偏析

粉末填充過程中的另一個重要現象是粒度偏析，這會破壞混合物均勻并導致后續的不均勻壓實。

通過EDEM網格bin組中的平均顆粒直徑標準偏差，能夠量化分析模具直徑和葉片速度對粒度偏析的影響。

仿真結果表明：粒度偏析隨著模具直徑的增加而減少，但隨著葉片速度的增加而增加。

將數據進行歸一化處理，其中除了模具直徑6mm和葉片速度293m/s的極端組合外，其他情況都會坍縮到一條曲線上，該曲線結合上文葉片通過單個模具的時間（v/D）與粉末在模具內的填充水平 （m/D2）關系使用，可以實現在給定的填充質量下最小化偏析。

圖3：葉片速度和模具直徑對粉末填充過程粒度偏析的影響

• 均勻壓實

在壓實峰值時檢查壓制粉末的顆粒應力狀態——這一結果對于均勻壓實很重要，但很難通過實驗獲得。

如圖5所示，使用EDEM的連續分析功能從離散的粉末顆粒數據中計算獲得固結應力場和固體分數場，觀察兩者的空間變化情況。

仿真結果表明：欠固結區域的強度較低，這容易導致成型粉末的碎裂。而角落處的欠固結區域是壓實之前粉末在模具內分布不均勻的結果。

在該案例中，如第3列仿真結果所示，通過增加模具直徑和降低葉片轉速能夠有效緩解不均勻壓實的問題。可以進一步分析各組合變量對研究目標的影響。

圖4：壓實峰值時的固結應力場和固體分數場及對應工況下粉末在模具

結論

基于EDEM離散元可以對粉末填充及壓實過程進行模擬仿真計算和參數分析，并揭示有用的趨勢，例如：

- 提高粉末填充水平

- 減小粒度偏析

- 提高粉末壓實均勻性等

仿真除了提高對粉末填充及壓實過程的機理理解外，獲得的洞察力還可用于為最佳工藝操作提供量化的數據參考。