美国LLNL研究液态金属喷射(LMJ)推进液态金属3D打印

来源 :江苏激光产业创新联盟

据悉，按需滴液金属喷射是一种用于金属零件增材制造的强大技术。这种方法的成功取决于克服若干技术挑战。这些挑战中的主要挑战之一是单个均匀液滴的受控可重复喷射。来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究团队模拟了一种新兴的金属三维打印技术“液态金属喷射”(LMJ)中的液滴喷射过程，这是液态金属打印技术持续发展的一个关键方面。

金属的增材制造(AM)是一项强大的技术，可实现无与伦比的设计自由度的零件的快速生产。与传统制造方法相比，金属增材制造(AM)具有更高的性能和更低的成本，已从原型技术过渡到高价值制造的零件。金属AM中采用了多种方法：其中选择性激光熔化(selective laser melting, SLM)是目前最流行的方法，还有选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)、定向能量沉积(directed energy deposition, DED)、粘合剂喷射、层压板、挤压和液态金属喷射(liquid metal jetting, LMJ)等方法。

液态金属喷射技术之所以吸引人，是因为它与发达的喷墨技术紧密相关，并且在其他金属增材制造方法中具有多种优势：原料加工要求低，机械强度高的致密零件的制造时间短、废料少、后处理加工最少，以及支持多种金属或合金的潜力。在按需液滴(Droplet on Demand, DoD) LMJ中，脉冲能量将熔融金属依次从受控离散液滴中的孔中推出，从而形成任意形状的结构。这种自由浇铸工艺会产生直径在约0.1毫米至1毫米范围内的液滴，这些液滴在与之前的堆积层接触时会迅速凝固，从而形成紧密的近净形状。

成功的打印需要优化破裂时的液滴长度，以抑制卫星液滴的形成并确保在打印方向上有足够的动量。这导致识别流体可印刷性窗口或“可印刷性相图”，最初需要0.1Oh1，尽管最近的研究已经认识到Oh限值随喷射强度而变化脉冲（由韦伯数表示，We =ρRU2/σ，其中U表示喷射过程中喷嘴的平均速度），确实可以在Oh <0.1的条件下打印，但可接受的范围也必须减小。这尤其重要，因为液态金属的高密度和表面张力通常会导致DoD打印以极低的Oh值进行。有一些研究人员观察到Oh <0.1时液态金属小滴的受控喷射相对较少，但是，研究专注于研究低Oh态下的详细液滴形态和动力学还是较少。直接用于气动液态金属印刷的实验和计算研究相结合的次数甚至更少。尽管LMJ技术很重要，但在物理相关的低Oh参数方案中，液滴形成和破裂动力学的详细表征仍然缺失。

在本研究中，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员致力于通过阐明气动驱动的熔融锡滴从喷射到初次破裂的DoD过程来解决这一差距。使用实验和计算相结合的方法，研究人员遵循从初始喷射到夹断的液滴动力学和形态，执行高速摄影以提取液滴形状的时间动态，并将其与跨参数空间的VoF仿真进行比较。

图1. 液态金属打印机的示意图。

▲图解：信号发生器控制三个平行阀，以对加热的包含熔融锡的坩埚加压，该坩埚通过定制的100 m内径喷嘴喷射。静态压力传感器监控坩埚压力，而高速相机则使用背光方法以80 kHz的采样率捕获液滴的形成。Z级控制用于将坩埚底部插入石英管，该石英管连续用Ar气体吹扫以限制液滴的氧化。定期使用氧气传感器监测管内的氧气水平。X–Y平台用于使管在坩埚内居中。

为了进行研究，该团队建造了一台可分配锡滴的定制液态金属打印机。该打印机与高速摄影相结合，充当了自由形式按需滴打印的实验性试验台，并允许团队在喷射过程中跟踪详细的滴动态。

图2. 高速成像分析用于提取各种参数

▲图解：（a）强度图，显示了75个液滴破裂前的平均实验液滴形状。色标尺表示液滴在破裂前立即存在的可能性。（b）所有模拟破裂之前的液滴形状。将实验概率图的50％轮廓轮廓覆盖在所有模拟结果上，以进行直接比较。喷嘴和墨滴之间的明显缝隙是低图像分辨率的假象。确实存在液体韧带。每个面板的左下方列出了韦伯编号（We）。所有面板的比例尺均为200 m。

在这项研究中，研究通过实验证明了在印刷适性的这个极端角落，无卫星液滴的熔融锡液滴的喷射，并结合了高速摄影分析和流体体积模型来阐明液滴动力学。虽然在低Oh和高We下可以正确描述破裂过程的几个方面，例如喷嘴附近的尾巴和收缩点增加，但是没有任何一个参数集可以完全捕获破裂时的液滴形状。研究表明，尽管LMJ具有高度的稳定性和可重复性，但建模也极具挑战性。将来，该团队计划在更广泛的工艺参数中探索液滴喷射，并寻求对影响液滴形状，破裂和人造卫星形成的因素（包括热效应，可湿性和表面氧化物的作用）的更多理解。

通过计算机中的分子动力学模拟显示了纳米液滴撞击到固体壁时是如何破裂的。

本文来源：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