摩方微纳3D打印助力慕尼黑工大突破高压液滴动力学研究

来源：摩方精密

在深海资源勘探、航空航天推进系统、能源化工装备等尖端工程领域，高压极端环境下的液滴动力学行为是制约系统效能与安全性的核心科学问题。尤其在深海装备液压传动、航天器燃料雾化喷射、超临界化工反应器等场景中，液滴常需在极端压力环境中发生撞击、聚并或相变，其动态特性直接关联系统效率与可靠性。然而，传统实验技术因高压密闭环境可视化困难、传感器耐受性不足等问题，对超过100bar（约100倍大气压）环境中液滴撞击超疏水表面的动力学认知存在显著局限。

基于此，慕尼黑工业大学的研究团队首次突破高压液滴动力学研究的技术壁垒，在低韦伯数（We=5–10）条件下实现了高达200 bar环境压力的液滴撞击实验，不仅填补了高压流体动力学的理论缺口，更推动了超疏水表面的优化设计。相关研究以"Droplet Impact on Superhydrophobic Surfaces Under High Pressures"发表在国际学术期刊《Small Methods》上。

研究团队依托摩方精密的2 μm超高精度3D打印设备microArch® S230 制备了多种不同润湿性基底（微柱宽度20 μm，高度80 μm），通过精准调控微柱间距（40–80 μm范围）实现润湿性梯度设计。摩方精密作为全球最先将3D打印精度精确到2 μm级别并实现工业化应用的企业，其面投影微立体光刻（PμSL）技术为高压液滴动力学研究提供了关键技术支持。

图1. 本研究的实验方法。

通过实验系统探究了环境压力与基底结构对超疏水基底上液滴撞击动力学的影响，研究识别出高压液滴撞击的四类典型流态——无反弹伴气体夹带（I）、反弹伴卫星液滴残留与气体夹带（II）、反弹仅伴气体夹带（III）以及完全反弹（IV）。液滴反弹能力随环境压力升高而显著增强，当压力≥175 bar时，所有基底均实现完全反弹（IV区），但流态转变同时受环境压力与基底拓扑结构的协同调控。

对于结构化超疏水基底，流态随压力升高从I区稳定过渡至IV区；而光滑基底在任何压力下均仅表现为无反弹状态（I区）。此外，相同压力下，增大微柱间距（即降低固体占比）会导致卫星液滴残留量显著增加。通过引入修正的水锤系数，流体动力撞击模型成功解释了卫星液滴消失的机制——微柱间距减小增强了基底产生的毛细效应，从而抑制了卫星液滴形成。此项工作将液滴撞击研究拓展至200 bar高压领域，对深海分离、高压雾化等应用具有重要价值。

图2. 在不同环境压力（1个大气压、50 bar、100 bar、175 bar和200 bar）下，微柱间距为70 μm的微柱基底上液滴撞击的延时图像显示，随着环境压力的增加，卫星液滴和气体夹带现象逐渐消失。

图3. 在初始压力50 bar和韦伯数We=6.5的条件下，液滴撞击光滑表面及不同微柱基底的延时图像，揭示了不同的拓扑效应。

摩方全新升级的microArch® S230A 3D打印系统，集成了先进的自动化水平调节系统，并搭载高精密运动控制系统，显著提升了打印准备效率和整体易用性。该系统通过气浮平台与激光测距模块协同工作，充分保障了复杂异形微结构的一次成型精度与质量。此外，液槽加热系统突破了地域环境对材料选择的限制，能够兼容包括高粘度工程树脂、生物相容性树脂、耐高温树脂、陶瓷浆料（如氧化锆/氧化铝）以及高精度水凝胶在内的多种材料，广泛支持实验室原型开发的全流程需求。

摩方精密作为全球领先的高精度增材制造技术解决方案提供商，不仅深度服务于科学研究领域，更与全球约2800家客户建立了合作关系，覆盖美国、日本、德国等40个国家，其中包括众多顶尖科研机构和知名工业企业，彰显了其技术服务的广泛影响力。在科研支持方面，摩方精密的技术已成为众多前沿研究的重要工具，相关研究成果被大量发表在包括Science、Nature等国际顶级学术期刊及其子刊上，体现了摩方技术支撑科研工作的高质量与创新性。

随着微纳3D打印技术的不断发展，摩方将继续以颠覆性技术创新为核心驱动，与全球科研工作者及产业伙伴携手共进，致力于攻克更多前沿科学难题，推动精密制造迈向微纳尺度、多材料4D打印、高良品率与跨尺度集成的战略方向，为构建全球高端制造新生态提供关键技术支持。