摩方微納3D打印助力慕尼黑工大突破高壓液滴動(dòng)力學(xué)研究

來源：摩方精密

在深海資源勘探、航空航天推進(jìn)系統(tǒng)、能源化工裝備等尖端工程領(lǐng)域，高壓極端環(huán)境下的液滴動(dòng)力學(xué)行為是制約系統(tǒng)效能與安全性的核心科學(xué)問題。尤其在深海裝備液壓傳動(dòng)、航天器燃料霧化噴射、超臨界化工反應(yīng)器等場(chǎng)景中，液滴常需在極端壓力環(huán)境中發(fā)生撞擊、聚并或相變，其動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)聯(lián)系統(tǒng)效率與可靠性。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)因高壓密閉環(huán)境可視化困難、傳感器耐受性不足等問題，對(duì)超過100bar（約100倍大氣壓）環(huán)境中液滴撞擊超疏水表面的動(dòng)力學(xué)認(rèn)知存在顯著局限。

基于此，慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次突破高壓液滴動(dòng)力學(xué)研究的技術(shù)壁壘，在低韋伯?dāng)?shù)（We=5–10）條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)200 bar環(huán)境壓力的液滴撞擊實(shí)驗(yàn)，不僅填補(bǔ)了高壓流體動(dòng)力學(xué)的理論缺口，更推動(dòng)了超疏水表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相關(guān)研究以"Droplet Impact on Superhydrophobic Surfaces Under High Pressures"發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Small Methods》上。

研究團(tuán)隊(duì)依托摩方精密的2 μm超高精度3D打印設(shè)備microArch® S230 制備了多種不同潤濕性基底（微柱寬度20 μm，高度80 μm），通過精準(zhǔn)調(diào)控微柱間距（40–80 μm范圍）實(shí)現(xiàn)潤濕性梯度設(shè)計(jì)。摩方精密作為全球最先將3D打印精度精確到2 μm級(jí)別并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的企業(yè)，其面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)為高壓液滴動(dòng)力學(xué)研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

圖1. 本研究的實(shí)驗(yàn)方法。

通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究了環(huán)境壓力與基底結(jié)構(gòu)對(duì)超疏水基底上液滴撞擊動(dòng)力學(xué)的影響，研究識(shí)別出高壓液滴撞擊的四類典型流態(tài)——無反彈伴氣體夾帶（I）、反彈伴衛(wèi)星液滴殘留與氣體夾帶（II）、反彈僅伴氣體夾帶（III）以及完全反彈（IV）。液滴反彈能力隨環(huán)境壓力升高而顯著增強(qiáng)，當(dāng)壓力≥175 bar時(shí)，所有基底均實(shí)現(xiàn)完全反彈（IV區(qū)），但流態(tài)轉(zhuǎn)變同時(shí)受環(huán)境壓力與基底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控。

對(duì)于結(jié)構(gòu)化超疏水基底，流態(tài)隨壓力升高從I區(qū)穩(wěn)定過渡至IV區(qū)；而光滑基底在任何壓力下均僅表現(xiàn)為無反彈狀態(tài)（I區(qū)）。此外，相同壓力下，增大微柱間距（即降低固體占比）會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星液滴殘留量顯著增加。通過引入修正的水錘系數(shù)，流體動(dòng)力撞擊模型成功解釋了衛(wèi)星液滴消失的機(jī)制——微柱間距減小增強(qiáng)了基底產(chǎn)生的毛細(xì)效應(yīng)，從而抑制了衛(wèi)星液滴形成。此項(xiàng)工作將液滴撞擊研究拓展至200 bar高壓領(lǐng)域，對(duì)深海分離、高壓霧化等應(yīng)用具有重要價(jià)值。

圖2. 在不同環(huán)境壓力（1個(gè)大氣壓、50 bar、100 bar、175 bar和200 bar）下，微柱間距為70 μm的微柱基底上液滴撞擊的延時(shí)圖像顯示，隨著環(huán)境壓力的增加，衛(wèi)星液滴和氣體夾帶現(xiàn)象逐漸消失。

圖3. 在初始?jí)毫?0 bar和韋伯?dāng)?shù)We=6.5的條件下，液滴撞擊光滑表面及不同微柱基底的延時(shí)圖像，揭示了不同的拓?fù)湫?yīng)。

摩方全新升級(jí)的microArch® S230A 3D打印系統(tǒng)，集成了先進(jìn)的自動(dòng)化水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并搭載高精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，顯著提升了打印準(zhǔn)備效率和整體易用性。該系統(tǒng)通過氣浮平臺(tái)與激光測(cè)距模塊協(xié)同工作，充分保障了復(fù)雜異形微結(jié)構(gòu)的一次成型精度與質(zhì)量。此外，液槽加熱系統(tǒng)突破了地域環(huán)境對(duì)材料選擇的限制，能夠兼容包括高粘度工程樹脂、生物相容性樹脂、耐高溫樹脂、陶瓷漿料（如氧化鋯/氧化鋁）以及高精度水凝膠在內(nèi)的多種材料，廣泛支持實(shí)驗(yàn)室原型開發(fā)的全流程需求。

摩方精密作為全球領(lǐng)先的高精度增材制造技術(shù)解決方案提供商，不僅深度服務(wù)于科學(xué)研究領(lǐng)域，更與全球約2800家客戶建立了合作關(guān)系，覆蓋美國、日本、德國等40個(gè)國家，其中包括眾多頂尖科研機(jī)構(gòu)和知名工業(yè)企業(yè)，彰顯了其技術(shù)服務(wù)的廣泛影響力。在科研支持方面，摩方精密的技術(shù)已成為眾多前沿研究的重要工具，相關(guān)研究成果被大量發(fā)表在包括Science、Nature等國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊及其子刊上，體現(xiàn)了摩方技術(shù)支撐科研工作的高質(zhì)量與創(chuàng)新性。

隨著微納3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，摩方將繼續(xù)以顛覆性技術(shù)創(chuàng)新為核心驅(qū)動(dòng)，與全球科研工作者及產(chǎn)業(yè)伙伴攜手共進(jìn)，致力于攻克更多前沿科學(xué)難題，推動(dòng)精密制造邁向微納尺度、多材料4D打印、高良品率與跨尺度集成的戰(zhàn)略方向，為構(gòu)建全球高端制造新生態(tài)提供關(guān)鍵技術(shù)支持。