美國LLNL研究液態(tài)金屬噴射(LMJ)推進液態(tài)金屬3D打印

來源 :江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)悉，按需滴液金屬噴射是一種用于金屬零件增材制造的強大技術(shù)。這種方法的成功取決于克服若干技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)中的主要挑戰(zhàn)之一是單個均勻液滴的受控可重復(fù)噴射。來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究團隊模擬了一種新興的金屬三維打印技術(shù)“液態(tài)金屬噴射”(LMJ)中的液滴噴射過程，這是液態(tài)金屬打印技術(shù)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵方面。

金屬的增材制造(AM)是一項強大的技術(shù)，可實現(xiàn)無與倫比的設(shè)計自由度的零件的快速生產(chǎn)。與傳統(tǒng)制造方法相比，金屬增材制造(AM)具有更高的性能和更低的成本，已從原型技術(shù)過渡到高價值制造的零件。金屬AM中采用了多種方法：其中選擇性激光熔化(selective laser melting, SLM)是目前最流行的方法，還有選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)、定向能量沉積(directed energy deposition, DED)、粘合劑噴射、層壓板、擠壓和液態(tài)金屬噴射(liquid metal jetting, LMJ)等方法。

液態(tài)金屬噴射技術(shù)之所以吸引人，是因為它與發(fā)達的噴墨技術(shù)緊密相關(guān)，并且在其他金屬增材制造方法中具有多種優(yōu)勢：原料加工要求低，機械強度高的致密零件的制造時間短、廢料少、后處理加工最少，以及支持多種金屬或合金的潛力。在按需液滴(Droplet on Demand, DoD) LMJ中，脈沖能量將熔融金屬依次從受控離散液滴中的孔中推出，從而形成任意形狀的結(jié)構(gòu)。這種自由澆鑄工藝會產(chǎn)生直徑在約0.1毫米至1毫米范圍內(nèi)的液滴，這些液滴在與之前的堆積層接觸時會迅速凝固，從而形成緊密的近凈形狀。

成功的打印需要優(yōu)化破裂時的液滴長度，以抑制衛(wèi)星液滴的形成并確保在打印方向上有足夠的動量。這導(dǎo)致識別流體可印刷性窗口或“可印刷性相圖”，最初需要0.1Oh1，盡管最近的研究已經(jīng)認識到Oh限值隨噴射強度而變化脈沖（由韋伯數(shù)表示，We =ρRU2/σ，其中U表示噴射過程中噴嘴的平均速度），確實可以在Oh <0.1的條件下打印，但可接受的范圍也必須減小。這尤其重要，因為液態(tài)金屬的高密度和表面張力通常會導(dǎo)致DoD打印以極低的Oh值進行。有一些研究人員觀察到Oh <0.1時液態(tài)金屬小滴的受控噴射相對較少，但是，研究專注于研究低Oh態(tài)下的詳細液滴形態(tài)和動力學(xué)還是較少。直接用于氣動液態(tài)金屬印刷的實驗和計算研究相結(jié)合的次數(shù)甚至更少。盡管LMJ技術(shù)很重要，但在物理相關(guān)的低Oh參數(shù)方案中，液滴形成和破裂動力學(xué)的詳細表征仍然缺失。

在本研究中，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員致力于通過闡明氣動驅(qū)動的熔融錫滴從噴射到初次破裂的DoD過程來解決這一差距。使用實驗和計算相結(jié)合的方法，研究人員遵循從初始噴射到夾斷的液滴動力學(xué)和形態(tài)，執(zhí)行高速攝影以提取液滴形狀的時間動態(tài)，并將其與跨參數(shù)空間的VoF仿真進行比較。

圖1. 液態(tài)金屬打印機的示意圖。

▲圖解：信號發(fā)生器控制三個平行閥，以對加熱的包含熔融錫的坩堝加壓，該坩堝通過定制的100 m內(nèi)徑噴嘴噴射。靜態(tài)壓力傳感器監(jiān)控坩堝壓力，而高速相機則使用背光方法以80 kHz的采樣率捕獲液滴的形成。Z級控制用于將坩堝底部插入石英管，該石英管連續(xù)用Ar氣體吹掃以限制液滴的氧化。定期使用氧氣傳感器監(jiān)測管內(nèi)的氧氣水平。X–Y平臺用于使管在坩堝內(nèi)居中。

為了進行研究，該團隊建造了一臺可分配錫滴的定制液態(tài)金屬打印機。該打印機與高速攝影相結(jié)合，充當了自由形式按需滴打印的實驗性試驗臺，并允許團隊在噴射過程中跟蹤詳細的滴動態(tài)。

圖2. 高速成像分析用于提取各種參數(shù)

▲圖解：（a）強度圖，顯示了75個液滴破裂前的平均實驗液滴形狀。色標尺表示液滴在破裂前立即存在的可能性。（b）所有模擬破裂之前的液滴形狀。將實驗概率圖的50％輪廓輪廓覆蓋在所有模擬結(jié)果上，以進行直接比較。噴嘴和墨滴之間的明顯縫隙是低圖像分辨率的假象。確實存在液體韌帶。每個面板的左下方列出了韋伯編號（We）。所有面板的比例尺均為200 m。

在這項研究中，研究通過實驗證明了在印刷適性的這個極端角落，無衛(wèi)星液滴的熔融錫液滴的噴射，并結(jié)合了高速攝影分析和流體體積模型來闡明液滴動力學(xué)。雖然在低Oh和高We下可以正確描述破裂過程的幾個方面，例如噴嘴附近的尾巴和收縮點增加，但是沒有任何一個參數(shù)集可以完全捕獲破裂時的液滴形狀。研究表明，盡管LMJ具有高度的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，但建模也極具挑戰(zhàn)性。將來，該團隊計劃在更廣泛的工藝參數(shù)中探索液滴噴射，并尋求對影響液滴形狀，破裂和人造衛(wèi)星形成的因素（包括熱效應(yīng)，可濕性和表面氧化物的作用）的更多理解。

通過計算機中的分子動力學(xué)模擬顯示了納米液滴撞擊到固體壁時是如何破裂的。

本文來源：Victor A. Beck et al. A combined numerical and experimental study to elucidate primary breakup dynamics in liquid metal droplet-on-demand printing, Physics of Fluids (2020). DOI: 10.1063/5.0029438