近日,，新加坡國(guó)立大學(xué)蘇州研究院（以下簡(jiǎn)稱“新國(guó)大蘇研院”）研究員閆文韜及團(tuán)隊(duì)成員在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）上發(fā)表研究成果,。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了流固耦合的高精度數(shù)值模型，首次完全再現(xiàn)了粘合劑流動(dòng)和粉末運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量和能量的雙向相互作用,。

研究團(tuán)隊(duì)

本成果以”High-fidelity modeling of binder–powder interactions in binder jetting: Binder flow and powder dynamics”為題發(fā)表在《Acta Materialia》上,。論文第一作者為新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系博士生楊澤世,，通訊作者為新國(guó)大蘇研院能源與環(huán)境納米科技創(chuàng)新平臺(tái)研究員閆文韜。

研究背景

粘合劑噴射是一種創(chuàng)新的增材制造工藝,，近年來(lái)獲得了巨大的關(guān)注,。與基于熔融的增材制造技術(shù)相比，粘合劑噴射技術(shù)具有制造時(shí)間短,、材料消耗少,、材料選擇范圍廣且不受氣氛限制的優(yōu)點(diǎn)。然而,，粘合劑液滴和粉末床的相互作用尚不完全清楚,，這極大地阻礙了粘合劑噴射方法的發(fā)展。粘合劑液滴和粉末床的相互作用可分為兩類現(xiàn)象：粘合劑運(yùn)動(dòng),，包括粘合劑在粉末床中的鋪展和滲透,；粉末運(yùn)動(dòng)，包括粉末團(tuán)聚和飛濺,。粘合劑如何擴(kuò)散和滲透對(duì)生件質(zhì)量起著重要作用,，通常需要進(jìn)行大量的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)，以避免生件相對(duì)密度較低以及過(guò)飽和等現(xiàn)象,。粉末飛濺可能會(huì)在粉末床內(nèi)部留下空隙,，從而增加最終零件的孔隙率，并且飛濺顆粒在噴嘴頭上的粘附會(huì)降低噴射性能,。因此,，了解粘合劑與粉末的相互作用對(duì)于提高零件質(zhì)量和粘合劑噴射工藝的可靠性非常重要。

 ▲粘合劑的形態(tài)和速度變化：(a) 粘合劑在顆粒表面鋪展,。(b) 隨著速度減小,，粘結(jié)劑的大部分速度矢量向下指向負(fù)-Z方向。(c) 當(dāng)速度矢量指向粘合劑中心時(shí)，粘合劑開(kāi)始回流收縮,。(d) 粘結(jié)劑在粉末床上方形成粘合劑的球面曲面,。(e) 實(shí)驗(yàn)觀察的液滴變形過(guò)程,。

研究結(jié)果

閆文韜團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了流固耦合的高精度數(shù)值模型,，首次完全再現(xiàn)了粘合劑流動(dòng)和粉末運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量和能量的雙向相互作用。該模型準(zhǔn)確地再現(xiàn)了粘合劑液滴的撞擊,、粘合劑的鋪展和滲透以及粉末顆粒的飛濺和團(tuán)聚,。

▲(a) 粉末飛濺過(guò)程。(b) 單個(gè)粉末顆粒的濺射過(guò)程,。紅色箭頭代表粉末顆粒之間的碰撞,，藍(lán)色箭頭代表顆粒的飛濺方向。(c)–(d) 模擬結(jié)果與 X 射線成像結(jié)果的粒子飛濺速度量化比較,。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)粘合劑的滲透和鋪展主要由表面張力驅(qū)動(dòng),。粉末顆粒之間的碰撞對(duì)粘合劑的鋪展方向影響較大，但對(duì)粘合劑滲透的影響較小,。團(tuán)聚體的尺寸和粉末飛濺速度都與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果非常吻合,。此外，研究團(tuán)隊(duì)基于該模型研究了噴射方式和間距對(duì)粘結(jié)劑與粉末相互作用的影響,。與順序噴射模式相比,，同時(shí)噴射模式固有的高效率可以減少粉末飛濺但會(huì)降低尺寸精度。當(dāng)粘合劑噴射間距變化時(shí),，粉末顆粒的飛濺速度保持在較寬的范圍內(nèi),。盡管隨著間距的增加，更多的粉末顆粒從粉末床飛濺出來(lái),，但在測(cè)試的所有間距條件下粉末顆粒的平均飛濺速度都很接近,。

應(yīng)用場(chǎng)景

此項(xiàng)工作為可噴射粘合劑的工業(yè)應(yīng)用提供了實(shí)際指導(dǎo)，有助于粘合劑在航空,、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，比如制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件、醫(yī)療植入物,、義肢和牙科器械設(shè)備等復(fù)合材料與制造復(fù)雜零部件結(jié)構(gòu)等方面,。研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)值模擬模型有助于優(yōu)化工藝參數(shù)，減少試錯(cuò)次數(shù),，提高生產(chǎn)效率,，并降低成本，預(yù)測(cè)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題并采取相應(yīng)的措施,。