重庆大学增材顶刊《AM》：新策略！消除基于金属液滴3D打印中的热积累效应

来源：材料学网

导读：均匀的形态和相邻液滴之间良好的冶金结合对于基于金属液滴的3D打印至关重要。然而，这种技术通常伴随着打印过程中的热量积累效应，导致成型精度差，成型零件的微观结构和性能不均匀。由于蓄热效应是固定参数条件下基于金属液滴的 3D 打印技术的固有物理特性，因此形态恶化甚至不稳定现象仍然是该技术的常见缺陷。在此，本文研究了一组基于 7075铝合金的打印柱实验，进行了以证明热积累效应对基于金属液滴的 3D 打印成形精度的影响。还基于一维热导率理论对蓄热效应进行了半定量分析。为了进一步揭示铝微滴打印过程中蓄热效应的演化机制，本文基于流体体积（VOF）方法开发了铝微滴打印的3D数值模型。系统地研究了在铝微滴的连续沉积过程中温度场、热通量、固相率、速度场的演变和凝固形态。揭示了蓄热效应的演变机制及其对成形精度的影响。最后，基于热平衡理论，本文提出了一种变频打印策略，以有效消除热量积累效应。该研究为进一步发展基于金属液滴的3D打印技术奠定了基础。

基于金属液滴的3D打印作为一种新兴的增材制造技术，在直接、快速制造微细复杂金属部件、功能器件和异质零件方面显示出其优于传统制造的独特优势。基于金属液滴的 3D 打印具有喷墨打印的高分辨率和喷雾成型中的细颗粒等优势。此外，该技术省去了定制的原材料和昂贵的设备。在该技术中，均匀的微液滴被用作基本制造单元，以基于分散/累积成形策略制造 3D 对象。作为一个有前途的快速原型方法，它在先进的电子元件、电子封装和电路，生物工程，以及微金属成分等等广泛应用。然而，金属微滴沉积制造的过程涉及凝固过程的高焓金属液滴和络合物热行为，例如界面重熔、传热和传质以及固液界面生长。该过程通常还伴随着热量积累效应，这可能会严重破坏成型精度和微观结构的均匀性。因此，通过基于金属液滴的 3D 打印直接打印高质量组件仍然是一个重大挑战。

加深对熔融金属液滴冲击动力学的理解，加强对传热传质行为的精确调控，都是提高成形质量的关键。许多研究人员对此课题进行了初步研究。首先，通过实验和数值模拟研究了单个液滴的沉积动力学和热行为，以及传热传质行为和缺陷形成机制还揭示了多个熔滴之间的关系。作为构建3D金属零件的基础，多个液滴的连续沉积形成金属痕迹也受到了广泛关注。然而，在制造涉及垂直方向熔体相互作用的 3D 结构时，制造过程中的难度显着增加。在这种情况下，液滴沉积行为由于沉积界面从基材到固化液滴表面的转变而发生显著变化。然后传热和传质行为变得更加复杂，即传热行为难以通过工艺参数直接调节。此外，传质行为具有相对更大的不确定性，而不受基材的限制。因此，为了提高成型质量和工艺稳定性，许多研究人员通过调整工艺参数或沉积策略，专注于在垂直方向上实现液滴之间或层之间的良好结合. 发现在后续连续沉积过程中 ，熔滴的传热路径相对受限，这可能会引发热量积累效应。

重庆大学曹华军教授团队提出一种有效消除热量积累效应以提高成形精度的策略。首先，以不同频率打印7075铝合金柱子，以研究蓄热效应的不利影响。然后开发了一个一维传热模型，用于热量积累的半定量分析。由于很难通过实验获得金属液滴动力学和热力学特性随时间的跟踪数据，因此开发了基于VOF的数值模型来研究液滴沉积过程中的热量积累机制。最后，提出了一种基于高度变化的实时精确变频沉积策略来消除热量积累效应，并从理论和实验两方面验证了该策略的可行性和有效性。这项工作为提高基于液滴的 3D 打印过程的成形质量提供了有用的指导，并为该技术的潜在应用铺平了道路。相关研究成果以题“Heat accumulation effect in metal droplet-based 3D printing: Evolution mechanism and elimination Strategy”发表在金属增材顶刊 Additive Manufacturing上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005662

本研究首次揭示了基于金属液滴的3D打印蓄热效应的机理，并提出了消除蓄热不利影响的有效策略。使用 7075铝合金进行了一系列印刷实验。在典型的实验条件下，观察到印刷柱的形态随着堆积高度和堆积频率的增加而逐渐变粗和加重，这是热量堆积的结果。在此基础上，采用一维传热模型对蓄热过程进行半定量分析。为了更准确、更深入地分析这个过程，基于VOF 方法的 3D 模型开发用于恢复液滴沉积过程。详细研究了热积聚作用下液滴的传热传质行为。热通量的滞后直接引起热量积累，从而减少了液滴沉积过程中的动能耗散。此外，不一致的动态演化行为加上凝固行为最终使成形形态恶化。热量积累对动力学和热力学行为的影响沉积的液滴的数量被证实是显着的。因此，必须严格调控每个金属液滴的传热行为和动态演化过程，以提高成形质量和工艺稳定性。

图1。实验系统示意图。

图2。金属液滴连续沉积的数值模型示意图。

图3。(a)液滴堆积过程的高速CCD图像；(b) 液滴堆积过程的模拟图像；(c) 印刷柱横截面的 SEM 图像；(d) 印刷柱横截面的模拟图像。

图 4。基于液滴的3D 打印制造的7075铝合金支柱。(a) 不同沉积频率下的实验结果比较：(1) f = 1 Hz，(2) f = 2 Hz；(3) f = 3 赫兹；(4) f = 5赫兹；(b) f = 5 Hz 时打印柱横截面的 SEM 图像：(Ⅰ) 快速传热导致液滴之间的结合相对较差；(Ⅱ) 适当的传热导致液滴之间理想的冶金结合；(Ⅲ)热量积聚导致结构倒塌

图 5。顶部平衡温度T e 的演变。(a) 可变沉积频率 ( f = 1–5 Hz)；(b) 固定沉积频率 ( f = 5 Hz)。

图 6。α随堆积高度h 的演化，以及数值模拟区域选择示意图。

图 7。五个液滴连续沉积过程中的温度场演变。

图 10。固体分数（左图）和速度场（右图）的演变。

图 11。(a) 固体部分的演变；(b) 部分重熔区图。

图 16。(a) 维持热平衡的过程图；(b) 基于过程映射的打印模型。

最后，基于热平衡理论，本文提出了一种有效消除热量积累效应的调控策略，即基于成形高度对所需液滴数量及其沉积频率进行定量分析。通过仿真和实验验证了该策略的可行性和有效性。该研究为基于液滴的3D打印技术消除热积累效应和提高成形精度提供了指导。