金属流固耦合沉积方法综述.pdf

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1、专题综述Review金属流固耦合沉积方法综述李素丽，王明哲，李周平（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710300）摘要：金属熔体喷射断裂成小液滴后，通过与运动平台装置的协同运动，可在基板上准确沉积，以达到制件成形要求。然而受到不同因素干扰的毛细金属熔体容易出现偏斜、中断，甚至无法断续等问题，难以控制熔融金属沉积过程。因此需要对金属熔体喷射流固耦合特性进行系统的研究。关键词：金属熔体；喷射；沉积方法；偏斜；影响因素中图分类号：TQ021；TG249；文献标识码：A；文章编号:1006-9658（2017）01

2、-0006-03DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.0020引言金属3D打印技术增材制造（AdditiveManu-facturing，AM）是基于离散—堆积原理的新型数字化成形技术，被誉为“具有工业革命意义的制造技术”，极大的缩短了产品的研发周期和成本，对制造[1]业的发展有着十分重要的意义。1金属熔融小液滴喷射成形技术分类及特点[2]产生均匀液滴的方法很多(图1)，根据液滴喷射的方式根据金属均匀喷射熔融小液滴沉积成图1产生均匀液滴的方法形原理和控制方式的不同，金属熔融

3、小液滴喷射技术可以分为连续式喷射(continuous-ink-jet，CIJ)和按需式喷射(drop-on-demand，DOD)两大类。CIJ技术是利用持续压力挤压流体使其经过微小喷孔形成毛细射流，并在激振器的作用下断裂成均匀液滴流；与此同时，加载充电脉冲使液滴选择性带电，经过偏转电场后根据需要沉积在基板或回收槽中，如图2.a所示。DOD技术是利用激振器在需要时产生压力脉（a）（b）冲挤压流体喷射出单颗液滴，并直接沉积于基板，[3-5]如图2.b所示。其技术特点如表1所示。（a）连续液滴喷射(CIJ)（b

4、）按需液滴喷射(DOD)图2均匀液滴喷射的方式连续式均匀金属微滴喷射是在持续压力的作项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy16-14）收稿日期:2016-06-17用下，使喷射腔内流体经过喷孔形成毛细喷射，并稿件编号:1606-1412在脉冲压力的作用下断裂成为均匀熔融小液滴流。作者简介：李素丽（1981—），女，副教授,主要从事3D打印以及模具设计相关的研究工作.该技术最早是在20世纪90年代由美国麻省理工6中国铸造装备与技术1∕2017Review专题综述[6][7]学院和美国加州大学欧

5、文分校基于Rayleigh消除制件内部冷隔层与孔隙，才能有效提高成形件[8]喷射线性不稳定理论提出的。质量。基于此，在金属熔融小液滴喷射过程中，参表1金属微滴喷射技术分类及特点数的合理匹配是能否成功成形金属件的关键。目前已有的研究通过喷射速度这一中间变量得到均分类驱动方式驱动频率喷射量沉积速度效率结构液滴一致性匀熔融小液滴喷射的规律，但喷射内部流场和速度连续压电驱动的变化无法直接观测，造成选择的参数难以匹配。喷射5~44kHz大快高简单一般气压驱动（CIJ）另外，受外界干扰，金属喷射不能稳定喷射，其原因按需压

6、电驱动复杂，相互作用机理尚不明确，难以采取针对性措喷射气压驱动＜2kHz小慢低复杂好施解决喷射不稳定的问题。(DOD)机械振动按需式金属微滴喷射是利用高频电磁阀在需3结束语要时产生压力脉冲，改变腔内气压，迫使流体内部根据以上分析可知，目前金属熔融小液滴滴产生瞬间的速度和压力变化驱使形成单颗熔融小落与沉积的研究主要针对沉积物微观结构与性能[9]液滴。相比于连续式微滴喷射技术喷射频率高，等方面。但作为工程应用的重要考察指标—制件单颗熔融小液滴滴落沉积不易控制的特点，按需式的形状精度以及抗拉强度并没有进行完整地研究

7、。喷射原理是一个脉冲对应一颗熔融小液滴，具有喷因此，探索金属微喷沉积参数对成形件形状精度以射精确可控的优点，但喷射速度远低于连续式喷及强度的影响是熔融小液滴喷射制造技术应用于[10]射。多伦多大学采用按需式喷射方式对多颗金实际工程的必要基础研究。金属微滴喷射技术受[11]属熔融小液滴实现了水平与垂直方向沉积，并研到国内外学者的高度关注，目前研究主要集中在均[12]究了沉积过程中熔融小液滴的重熔与凝固过程。匀金属微滴产生机理、轨迹控制装置及其装备开[13]哈尔滨工业大学采用直径为50μm的喷嘴通发、锡铅和铝合金

8、熔融小液滴喷射沉积成形机理、过改变充电幅值来控制金属熔融小液滴的飞行轨微滴精准控制与应用和成型质量控制等方面。迹，沉积出6mm壁厚，表面不光滑，有一定“毛刺”[14]的圆筒。西北工业大学齐乐华教授近年来分别[15][16]参考文献对连续式和按需式均匀熔融小液滴喷射成形[17][1]SuliLi,ZhengyingWei,JunDu,etal．Thefusionprocessof技术进行了详细研究，并