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）

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）

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。

金属熔体；喷射；沉积方法；偏斜；影响因素

0 引言

金属3D打印技术增材制造（Additive Manufacturing，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，对制造业的发展有着十分重要的意义[1]。

1 金属熔融小液滴喷射成形技术分类及特点

产生均匀液滴的方法很多[2](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形原理和控制方式的不同，金属熔融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冲挤压流体喷射出单颗液滴，并直接沉积于基板，如图2.b所示[3-5]。其技术特点如表1所示。

图1 产生均匀液滴的方法

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用下，使喷射腔内流体经过喷孔形成毛细喷射，并在脉冲压力的作用下断裂成为均匀熔融小液滴流。该技术最早是在20世纪90年代由美国麻省理工学院[6]和美国加州大学欧文分校[7]基于Rayleigh喷射线性不稳定理论[8]提出的。

表1 金属微滴喷射技术分类及特点

按需式金属微滴喷射是利用高频电磁阀在需要时产生压力脉冲，改变腔内气压，迫使流体内部产生瞬间的速度和压力变化驱使形成单颗熔融小液滴[9]。相比于连续式微滴喷射技术喷射频率高，单颗熔融小液滴滴落沉积不易控制的特点，按需式喷射原理是一个脉冲对应一颗熔融小液滴，具有喷射精确可控的优点，但喷射速度远低于连续式喷射。多伦多大学采用按需式喷射方式[10]对多颗金属熔融小液滴实现了水平与垂直方向[11]沉积，并研究了沉积过程中熔融小液滴的重熔与凝固过程[12]。哈尔滨工业大学[13]采用直径为50 μm的喷嘴通过改变充电幅值来控制金属熔融小液滴的飞行轨迹，沉积出6 mm壁厚，表面不光滑，有一定“毛刺”的圆筒[14]。西北工业大学齐乐华教授近年来分别对连续式[15]和按需式[16]均匀熔融小液滴喷射成形技术进行了详细研究，并对熔融小液滴监测方法[17]等方面展开了理论与试验研究。西安交通大学的卢秉恒教授团队对金属按需喷射理论进行了深入研究，并且研制了金属微喷熔融小液滴和微涂覆结合的实验装置，成形出空腔零件。

2 金属喷射特性分析

欲采用熔融金属喷射沉积成形出满足精度与性能要求的金属制件，需喷射出稳定的均匀金属熔融小液滴。若喷射参数与条件选择不合适，很容易引起喷射熔融小液滴流偏斜、中断等问题，导致金属熔融小液滴喷射与沉积过程难以精确预测和控制，无法满足熔融小液滴喷射沉积成形金属制件的要求。只有喷射的均匀熔融小液滴不发生偏斜，提高熔融小液滴的形状精度，并控制熔融小液滴沉积的初始条件，使熔融小液滴与沉积层更好的融合，消除制件内部冷隔层与孔隙，才能有效提高成形件质量。基于此，在金属熔融小液滴喷射过程中，参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匀熔融小液滴喷射的规律，但喷射内部流场和速度的变化无法直接观测，造成选择的参数难以匹配。另外，受外界干扰，金属喷射不能稳定喷射，其原因复杂，相互作用机理尚不明确，难以采取针对性措施解决喷射不稳定的问题。

3 结束语

根据以上分析可知，目前金属熔融小液滴滴落与沉积的研究主要针对沉积物微观结构与性能等方面。但作为工程应用的重要考察指标—制件的形状精度以及抗拉强度并没有进行完整地研究。因此，探索金属微喷沉积参数对成形件形状精度以及强度的影响是熔融小液滴喷射制造技术应用于实际工程的必要基础研究。金属微滴喷射技术受到国内外学者的高度关注，目前研究主要集中在均匀金属微滴产生机理、轨迹控制装置及其装备开发、锡铅和铝合金熔融小液滴喷射沉积成形机理、微滴精准控制与应用和成型质量控制等方面。

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Research of metal deposition methods and infl uencing factors

Li SuLi, WANG MingZhe, LI ZhouPing
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710300, Shaanxi,China)

Pick to metal melt injection after breaking into small droplets, through coordinated movement with motion platform device, can accurate deposition on substrates, to meet the requirements of stamping forming. However capillary metallic melts under different interference, easy appear skewed, the interrupt, can’t even intermittent problems, diffi cult to control the molten metal deposition process. So you need to metal melt injection of fl uid-solid coupling system is studied.

Metal melt injection;deposition methods;defl ection; impact factors.

TQ021；TG249；

A；

1006-9658（2017）01-0006-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.002

项目来源：陕西国防工业职业技术学院院级课题（编号：Gfy16-14）

2016-06-17

稿件编号:1606-1412

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.