重慶大學增材頂刊《AM》：新策略！消除基于金屬液滴3D打印中的熱積累效應

來源：材料學網(wǎng)

導讀：均勻的形態(tài)和相鄰液滴之間良好的冶金結合對于基于金屬液滴的3D打印至關重要。然而，這種技術通常伴隨著打印過程中的熱量積累效應，導致成型精度差，成型零件的微觀結構和性能不均勻。由于蓄熱效應是固定參數(shù)條件下基于金屬液滴的 3D 打印技術的固有物理特性，因此形態(tài)惡化甚至不穩(wěn)定現(xiàn)象仍然是該技術的常見缺陷。在此，本文研究了一組基于 7075鋁合金的打印柱實驗，進行了以證明熱積累效應對基于金屬液滴的 3D 打印成形精度的影響。還基于一維熱導率理論對蓄熱效應進行了半定量分析。為了進一步揭示鋁微滴打印過程中蓄熱效應的演化機制，本文基于流體體積（VOF）方法開發(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)沉積過程中溫度場、熱通量、固相率、速度場的演變和凝固形態(tài)。揭示了蓄熱效應的演變機制及其對成形精度的影響。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。該研究為進一步發(fā)展基于金屬液滴的3D打印技術奠定了基礎。

基于金屬液滴的3D打印作為一種新興的增材制造技術，在直接、快速制造微細復雜金屬部件、功能器件和異質(zhì)零件方面顯示出其優(yōu)于傳統(tǒng)制造的獨特優(yōu)勢。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顆粒等優(yōu)勢。此外，該技術省去了定制的原材料和昂貴的設備。在該技術中，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 對象。作為一個有前途的快速原型方法，它在先進的電子元件、電子封裝和電路，生物工程，以及微金屬成分等等廣泛應用。然而，金屬微滴沉積制造的過程涉及凝固過程的高焓金屬液滴和絡合物熱行為，例如界面重熔、傳熱和傳質(zhì)以及固液界面生長。該過程通常還伴隨著熱量積累效應，這可能會嚴重破壞成型精度和微觀結構的均勻性。因此，通過基于金屬液滴的 3D 打印直接打印高質(zhì)量組件仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

加深對熔融金屬液滴沖擊動力學的理解，加強對傳熱傳質(zhì)行為的精確調(diào)控，都是提高成形質(zhì)量的關鍵。許多研究人員對此課題進行了初步研究。首先，通過實驗和數(shù)值模擬研究了單個液滴的沉積動力學和熱行為，以及傳熱傳質(zhì)行為和缺陷形成機制還揭示了多個熔滴之間的關系。作為構建3D金屬零件的基礎，多個液滴的連續(xù)沉積形成金屬痕跡也受到了廣泛關注。然而，在制造涉及垂直方向熔體相互作用的 3D 結構時，制造過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變而發(fā)生顯著變化。然后傳熱和傳質(zhì)行為變得更加復雜，即傳熱行為難以通過工藝參數(shù)直接調(diào)節(jié)。此外，傳質(zhì)行為具有相對更大的不確定性，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，許多研究人員通過調(diào)整工藝參數(shù)或沉積策略，專注于在垂直方向上實現(xiàn)液滴之間或?qū)又�間的良好結合. 發(fā)現(xiàn)在后續(xù)連續(xù)沉積過程中 ，熔滴的傳熱路徑相對受限，這可能會引發(fā)熱量積累效應。

重慶大學曹華軍教授團隊提出一種有效消除熱量積累效應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，以研究蓄熱效應的不利影響。然后開發(fā)了一個一維傳熱模型，用于熱量積累的半定量分析。由于很難通過實驗獲得金屬液滴動力學和熱力學特性隨時間的跟蹤數(shù)據(jù)，因此開發(fā)了基于VOF的數(shù)值模型來研究液滴沉積過程中的熱量積累機制。最后，提出了一種基于高度變化的實時精確變頻沉積策略來消除熱量積累效應，并從理論和實驗兩方面驗證了該策略的可行性和有效性。這項工作為提高基于液滴的 3D 打印過程的成形質(zhì)量提供了有用的指導，并為該技術的潛在應用鋪平了道路。相關研究成果以題“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打印蓄熱效應的機理，并提出了消除蓄熱不利影響的有效策略。使用 7075鋁合金進行了一系列印刷實驗。在典型的實驗條件下，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，這是熱量堆積的結果。在此基礎上，采用一維傳熱模型對蓄熱過程進行半定量分析。為了更準確、更深入地分析這個過程，基于VOF 方法的 3D 模型開發(fā)用于恢復液滴沉積過程。詳細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程中的動能耗散。此外，不一致的動態(tài)演化行為加上凝固行為最終使成形形態(tài)惡化。熱量積累對動力學和熱力學行為的影響沉積的液滴的數(shù)量被證實是顯著的。因此，必須嚴格調(diào)控每個金屬液滴的傳熱行為和動態(tài)演化過程，以提高成形質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。

圖1。實驗系統(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)液滴堆積過程的高速CCD圖像；(b) 液滴堆積過程的模擬圖像；(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�；�于液滴的3D 打印制造的7075鋁合金支柱。(a) 不同沉積頻率下的實驗結果比較：(1) f = 1 Hz，(2) f = 2 Hz；(3) f = 3 赫茲；(4) f = 5赫茲；(b) f = 5 Hz 時打印柱橫截面的 SEM 圖像：(Ⅰ) 快速傳熱導致液滴之間的結合相對較差；(Ⅱ) 適當?shù)膫鳠釋е乱旱沃�間理想的冶金結合；(Ⅲ)熱量積聚導致結構倒塌

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。五個液滴連續(xù)沉積過程中的溫度場演變。

圖 10。固體分數(shù)（左圖）和速度場（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) 維持熱平衡的過程圖；(b) 基于過程映射的打印模型。

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的調(diào)控策略，即基于成形高度對所需液滴數(shù)量及其沉積頻率進行定量分析。通過仿真和實驗驗證了該策略的可行性和有效性。該研究為基于液滴的3D打印技術消除熱積累效應和提高成形精度提供了指導。