重慶大學(xué)增材頂刊《AM》：新策略,！消除基于金屬液滴3D打印中的熱積累效應(yīng)

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：均勻的形態(tài)和相鄰液滴之間良好的冶金結(jié)合對(duì)于基于金屬液滴的3D打印至關(guān)重要,。然而,，這種技術(shù)通常伴隨著打印過(guò)程中的熱量積累效應(yīng),，導(dǎo)致成型精度差,，成型零件的微觀結(jié)構(gòu)和性能不均勻。由于蓄熱效應(yīng)是固定參數(shù)條件下基于金屬液滴的 3D 打印技術(shù)的固有物理特性,，因此形態(tài)惡化甚至不穩(wěn)定現(xiàn)象仍然是該技術(shù)的常見(jiàn)缺陷,。在此，本文研究了一組基于 7075鋁合金的打印柱實(shí)驗(yàn),，進(jìn)行了以證明熱積累效應(yīng)對(duì)基于金屬液滴的 3D 打印成形精度的影響,。還基于一維熱導(dǎo)率理論對(duì)蓄熱效應(yīng)進(jìn)行了半定量分析。為了進(jìn)一步揭示鋁微滴打印過(guò)程中蓄熱效應(yīng)的演化機(jī)制,，本文基于流體體積（VOF）方法開(kāi)發(fā)了鋁微滴打印的3D數(shù)值模型,。系統(tǒng)地研究了在鋁微滴的連續(xù)沉積過(guò)程中溫度場(chǎng)、熱通量,、固相率,、速度場(chǎng)的演變和凝固形態(tài)。揭示了蓄熱效應(yīng)的演變機(jī)制及其對(duì)成形精度的影響,。最后,，基于熱平衡理論，本文提出了一種變頻打印策略,，以有效消除熱量積累效應(yīng),。該研究為進(jìn)一步發(fā)展基于金屬液滴的3D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

基于金屬液滴的3D打印作為一種新興的增材制造技術(shù),，在直接,、快速制造微細(xì)復(fù)雜金屬部件、功能器件和異質(zhì)零件方面顯示出其優(yōu)于傳統(tǒng)制造的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。基于金屬液滴的 3D 打印具有噴墨打印的高分辨率和噴霧成型中的細(xì)顆粒等優(yōu)勢(shì),。此外，該技術(shù)省去了定制的原材料和昂貴的設(shè)備,。在該技術(shù)中,，均勻的微液滴被用作基本制造單元，以基于分散/累積成形策略制造 3D 對(duì)象,。作為一個(gè)有前途的快速原型方法,，它在先進(jìn)的電子元件、電子封裝和電路,，生物工程,，以及微金屬成分等等廣泛應(yīng)用。然而，金屬微滴沉積制造的過(guò)程涉及凝固過(guò)程的高焓金屬液滴和絡(luò)合物熱行為,，例如界面重熔,、傳熱和傳質(zhì)以及固液界面生長(zhǎng)。該過(guò)程通常還伴隨著熱量積累效應(yīng),，這可能會(huì)嚴(yán)重破壞成型精度和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。因此,，通過(guò)基于金屬液滴的 3D 打印直接打印高質(zhì)量組件仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn),。

加深對(duì)熔融金屬液滴沖擊動(dòng)力學(xué)的理解，加強(qiáng)對(duì)傳熱傳質(zhì)行為的精確調(diào)控,，都是提高成形質(zhì)量的關(guān)鍵,。許多研究人員對(duì)此課題進(jìn)行了初步研究。首先,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了單個(gè)液滴的沉積動(dòng)力學(xué)和熱行為,，以及傳熱傳質(zhì)行為和缺陷形成機(jī)制還揭示了多個(gè)熔滴之間的關(guān)系。作為構(gòu)建3D金屬零件的基礎(chǔ),，多個(gè)液滴的連續(xù)沉積形成金屬痕跡也受到了廣泛關(guān)注,。然而，在制造涉及垂直方向熔體相互作用的 3D 結(jié)構(gòu)時(shí),，制造過(guò)程中的難度顯著增加,。在這種情況下，液滴沉積行為由于沉積界面從基材到固化液滴表面的轉(zhuǎn)變而發(fā)生顯著變化,。然后傳熱和傳質(zhì)行為變得更加復(fù)雜,，即傳熱行為難以通過(guò)工藝參數(shù)直接調(diào)節(jié)。此外,，傳質(zhì)行為具有相對(duì)更大的不確定性,，而不受基材的限制。因此,，為了提高成型質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性,，許多研究人員通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)或沉積策略，專(zhuān)注于在垂直方向上實(shí)現(xiàn)液滴之間或?qū)又�間的良好結(jié)合. 發(fā)現(xiàn)在后續(xù)連續(xù)沉積過(guò)程中 ,，熔滴的傳熱路徑相對(duì)受限,，這可能會(huì)引發(fā)熱量積累效應(yīng)。

重慶大學(xué)曹華軍教授團(tuán)隊(duì)提出一種有效消除熱量積累效應(yīng)以提高成形精度的策略,。首先,，以不同頻率打印7075鋁合金柱子，以研究蓄熱效應(yīng)的不利影響,。然后開(kāi)發(fā)了一個(gè)一維傳熱模型,，用于熱量積累的半定量分析。由于很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得金屬液滴動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性隨時(shí)間的跟蹤數(shù)據(jù)，因此開(kāi)發(fā)了基于VOF的數(shù)值模型來(lái)研究液滴沉積過(guò)程中的熱量積累機(jī)制,。最后,，提出了一種基于高度變化的實(shí)時(shí)精確變頻沉積策略來(lái)消除熱量積累效應(yīng)，并從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性,。這項(xiàng)工作為提高基于液滴的 3D 打印過(guò)程的成形質(zhì)量提供了有用的指導(dǎo),，并為該技術(shù)的潛在應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)研究成果以題“Heat accumulation effect in metal droplet-based 3D printing: Evolution mechanism and elimination Strategy”發(fā)表在金屬增材頂刊 Additive Manufacturing上,。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005662

本研究首次揭示了基于金屬液滴的3D打印蓄熱效應(yīng)的機(jī)理,，并提出了消除蓄熱不利影響的有效策略。使用 7075鋁合金進(jìn)行了一系列印刷實(shí)驗(yàn),。在典型的實(shí)驗(yàn)條件下,，觀察到印刷柱的形態(tài)隨著堆積高度和堆積頻率的增加而逐漸變粗和加重，這是熱量堆積的結(jié)果,。在此基礎(chǔ)上,，采用一維傳熱模型對(duì)蓄熱過(guò)程進(jìn)行半定量分析。為了更準(zhǔn)確,、更深入地分析這個(gè)過(guò)程,，基于VOF 方法的 3D 模型開(kāi)發(fā)用于恢復(fù)液滴沉積過(guò)程。詳細(xì)研究了熱積聚作用下液滴的傳熱傳質(zhì)行為,。熱通量的滯后直接引起熱量積累,，從而減少了液滴沉積過(guò)程中的動(dòng)能耗散。此外,，不一致的動(dòng)態(tài)演化行為加上凝固行為最終使成形形態(tài)惡化,。熱量積累對(duì)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)行為的影響沉積的液滴的數(shù)量被證實(shí)是顯著的。因此,，必須嚴(yán)格調(diào)控每個(gè)金屬液滴的傳熱行為和動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,，以提高成形質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。

圖1,。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,。

圖2。金屬液滴連續(xù)沉積的數(shù)值模型示意圖,。

圖3,。(a)液滴堆積過(guò)程的高速CCD圖像；(b) 液滴堆積過(guò)程的模擬圖像,；(c) 印刷柱橫截面的 SEM 圖像,；(d) 印刷柱橫截面的模擬圖像。

圖 4,�,；�于液滴��3D 打印制造的7075鋁合金支柱。(a) 不同沉積頻率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較：(1) f = 1 Hz，(2) f = 2 Hz,；(3) f = 3 赫茲,；(4) f = 5赫茲；(b) f = 5 Hz 時(shí)打印柱橫截面的 SEM 圖像：(Ⅰ) 快速傳熱導(dǎo)致液滴之間的結(jié)合相對(duì)較差,；(Ⅱ) 適當(dāng)?shù)膫鳠釋?dǎo)致液滴之間理想的冶金結(jié)合,；(Ⅲ)熱量積聚導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌

圖 5。頂部平衡溫度T e 的演變,。(a) 可變沉積頻率 ( f = 1–5 Hz),；(b) 固定沉積頻率 ( f = 5 Hz)。

圖 6,。α隨堆積高度h 的演化，以及數(shù)值模擬區(qū)域選擇示意圖,。

圖 7,。五個(gè)液滴連續(xù)沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)演變。

圖 10,。固體分?jǐn)?shù)（左圖）和速度場(chǎng)（右圖）的演變,。

圖 11。(a) 固體部分的演變,；(b) 部分重熔區(qū)圖,。

圖 16。(a) 維持熱平衡的過(guò)程圖,；(b) 基于過(guò)程映射的打印模型,。

最后，基于熱平衡理論,，本文提出了一種有效消除熱量積累效應(yīng)的調(diào)控策略,，即基于成形高度對(duì)所需液滴數(shù)量及其沉積頻率進(jìn)行定量分析。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性,。該研究為基于液滴的3D打印技術(shù)消除熱積累效應(yīng)和提高成形精度提供了指導(dǎo),。