近日，新加坡國立大學(xué)蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）研究員閆文韜及團隊成員在國際學(xué)術(shù)期刊《材料學(xué)報》（Acta Materialia）上發(fā)表研究成果。研究團隊開發(fā)了流固耦合的高精度數(shù)值模型，首次完全再現(xiàn)了粘合劑流動和粉末運動的動量和能量的雙向相互作用。

研究團隊

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立大學(xué)機械工程系博士生楊澤世，通訊作者為新國大蘇研院能源與環(huán)境納米科技創(chuàng)新平臺研究員閆文韜。

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。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：粘合劑運動，包括粘合劑在粉末床中的鋪展和滲透；粉末運動，包括粉末團聚和飛濺。粘合劑如何擴散和滲透對生件質(zhì)量起著重要作用，通常需要進行大量的試錯實驗來優(yōu)化工藝參數(shù)，以避免生件相對密度較低以及過飽和等現(xiàn)象。粉末飛濺可能會在粉末床內(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降低噴射性能。因此，了解粘合劑與粉末的相互作用對于提高零件質(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-Z方向。(c) 當速度矢量指向粘合劑中心時，粘合劑開始回流收縮。(d) 粘結(jié)劑在粉末床上方形成粘合劑的球面曲面。(e) 實驗觀察的液滴變形過程。

研究結(jié)果

閆文韜團隊開發(fā)了流固耦合的高精度數(shù)值模型，首次完全再現(xiàn)了粘合劑流動和粉末運動的動量和能量的雙向相互作用。該模型準確地再現(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聚。

▲(a) 粉末飛濺過程。(b) 單個粉末顆粒的濺射過程。紅色箭頭代表粉末顆粒之間的碰撞，藍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。粉末顆粒之間的碰撞對粘合劑的鋪展方向影響較大，但對粘合劑滲透的影響較小。團聚體的尺寸和粉末飛濺速度都與文獻中的實驗測量結(jié)果非常吻合。此外，研究團隊基于該模型研究了噴射方式和間距對粘結(jié)劑與粉末相互作用的影響。與順序噴射模式相比，同時噴射模式固有的高效率可以減少粉末飛濺但會降低尺寸精度。當粘合劑噴射間距變化時，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，但在測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)用場景

此項工作為可噴射粘合劑的工業(yè)應(yīng)用提供了實際指導(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)動機零件、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。研究團隊的數(shù)值模擬模型有助于優(yōu)化工藝參數(shù)，減少試錯次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，并降低成本，預(yù)測生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題并采取相應(yīng)的措施。