使用EDEM對(duì)粉末填充及壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行仿真分析

粉末壓制成形過(guò)程，顆粒間以及顆粒與模壁間存在的內(nèi)、外摩擦，易使壓坯各部位受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致壓坯密度分布不均或結(jié)構(gòu)不完整等問(wèn)題。若是壓實(shí)前粉末在模具內(nèi)分布不均勻，也容易出現(xiàn)以上問(wèn)題。

要可靠地滿足相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，就需要對(duì)給定的配方進(jìn)行最佳操作，但操作參數(shù)對(duì)壓片過(guò)程機(jī)械性能的影響仍未完全理解，現(xiàn)階段的工藝優(yōu)化主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

通過(guò)EDEM離散元仿真技術(shù)深入了解粉末系統(tǒng)力學(xué)機(jī)理，研究粉末填充和壓實(shí)過(guò)程中顆粒移動(dòng)和變形的規(guī)律，討論并定量描述工藝操作及模具結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)程性能的影響，為最佳工藝操作提供量化的數(shù)據(jù)信息，具有重要的實(shí)用性。

研究方法

在EDEM中，通過(guò)介觀方法對(duì)粉末顆粒進(jìn)行建模，其中：

- 在模型中使用多球法近似了物理顆粒形態(tài)

- 使用EEPA接觸模型模擬粉末的粘性-彈性-塑性-內(nèi)聚行為

- 顆粒與顆粒的相互作用參數(shù)與微晶纖維素（MCC）的單軸受限壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)量值進(jìn)行了校準(zhǔn)

- 顆粒與模具壁的相互作用參數(shù)根據(jù) MCC 相對(duì)于不銹鋼滑動(dòng)的壁屈服軌跡測(cè)量值進(jìn)行了校準(zhǔn)

圖1：EDEM顆粒形狀、粒徑分布、接觸模型標(biāo)定結(jié)果

仿真結(jié)果分析

• 粉末填充水平

使用該EDEM模型評(píng)估葉片速度、模具直徑、葉片通過(guò)次數(shù)對(duì)壓實(shí)前模具內(nèi)的粉末質(zhì)量流量和分布狀態(tài)的影響。

如圖所示，仿真獲得了葉片每通過(guò)一次模具，該模具內(nèi)增加的粉末質(zhì)量數(shù)據(jù)。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，可知葉片通過(guò)單個(gè)模具的時(shí)間（v/D）與粉末在模具內(nèi)的填充水平 （m/D2）之間近似線性關(guān)系，并且這種關(guān)系可用于通過(guò)提供給定模具直徑和葉片速度組合所需的通過(guò)次數(shù)來(lái)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(zhì)量。）

圖2：葉片速度、模具直徑和葉片通過(guò)次數(shù)對(duì)粉末填充質(zhì)量的影響

• 粒度偏析

粉末填充過(guò)程中的另一個(gè)重要現(xiàn)象是粒度偏析，這會(huì)破壞混合物均勻并導(dǎo)致后續(xù)的不均勻壓實(shí)。

通過(guò)EDEM網(wǎng)格bin組中的平均顆粒直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差，能夠量化分析模具直徑和葉片速度對(duì)粒度偏析的影響。

仿真結(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)坍縮到一條曲線上，該曲線結(jié)合上文葉片通過(guò)單個(gè)模具的時(shí)間（v/D）與粉末在模具內(nèi)的填充水平 （m/D2）關(guān)系使用，可以實(shí)現(xiàn)在給定的填充質(zhì)量下最小化偏析。

圖3：葉片速度和模具直徑對(duì)粉末填充過(guò)程粒度偏析的影響

• 均勻壓實(shí)

在壓實(shí)峰值時(shí)檢查壓制粉末的顆粒應(yīng)力狀態(tài)——這一結(jié)果對(duì)于均勻壓實(shí)很重要，但很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。

如圖5所示，使用EDEM的連續(xù)分析功能從離散的粉末顆粒數(shù)據(jù)中計(jì)算獲得固結(jié)應(yīng)力場(chǎng)和固體分?jǐn)?shù)場(chǎng)，觀察兩者的空間變化情況。

仿真結(jié)果表明：欠固結(jié)區(qū)域的強(qiáng)度較低，這容易導(dǎo)致成型粉末的碎裂。而角落處的欠固結(jié)區(qū)域是壓實(shí)之前粉末在模具內(nèi)分布不均勻的結(jié)果。

在該案例中，如第3列仿真結(jié)果所示，通過(guò)增加模具直徑和降低葉片轉(zhuǎn)速能夠有效緩解不均勻壓實(shí)的問(wèn)題?？梢赃M(jìn)一步分析各組合變量對(duì)研究目標(biāo)的影響。

圖4：壓實(shí)峰值時(shí)的固結(jié)應(yīng)力場(chǎng)和固體分?jǐn)?shù)場(chǎng)及對(duì)應(yīng)工況下粉末在模具

結(jié)論

基于EDEM離散元可以對(duì)粉末填充及壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真計(jì)算和參數(shù)分析，并揭示有用的趨勢(shì)，例如：

- 提高粉末填充水平

- 減小粒度偏析

- 提高粉末壓實(shí)均勻性等

仿真除了提高對(duì)粉末填充及壓實(shí)過(guò)程的機(jī)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(shù)據(jù)參考。