基于脈沖微孔噴射的液滴沉積成型

董 偉，魏宇婷，康世薇，蓋如坤，許富民，魯 棟

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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基于脈沖微孔噴射的液滴沉積成型

董 偉，魏宇婷，康世薇，蓋如坤，許富民，魯 棟

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

基于脈沖微孔噴射法(POEM)開發(fā)均勻液滴噴射成型設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)均勻微熔滴的逐滴三維沉積，并通過一系列實(shí)驗(yàn)研究一維柱沉積時(shí)微熔滴沉積位置的準(zhǔn)確性以及一維線沉積時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)微熔滴結(jié)合的影響。結(jié)果表明：微熔滴的沉積具有可重復(fù)性并且沉積位置準(zhǔn)確；當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率為600μm/s時(shí)，微熔滴間的結(jié)合良好，表面光滑無明顯缺陷。最后進(jìn)行簡(jiǎn)單立體薄壁制件的沉積，制件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔滴排布均勻，因此該方法可實(shí)現(xiàn)金屬均勻微滴的沉積成型。

快速成型；脈沖微孔噴射法；沉積成型；金屬微熔滴

均勻液滴噴射成型技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一種新型快速成型技術(shù)[1-4]，該工藝主要是基于噴墨打印機(jī)的原理，將成型零件通過軟件以一定厚度進(jìn)行切片分層，得到每一層的幾何信息，利用壓電振動(dòng)系統(tǒng)將熔融原材料離散成均勻的液滴，同時(shí)控制三維沉積平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使液滴按照切片信息逐層堆積，最終成型所需形狀。該技術(shù)可以直接成型，無需模具輔助，適合微小及結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的制造，有效克服傳統(tǒng)快速成型的缺點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。均勻液滴噴射成型技術(shù)主要分為按需式和連續(xù)式。連續(xù)式均勻液滴噴射成型技術(shù)中金屬射流易受氣流的影響而不穩(wěn)定，影響制件的沉積精度。而按需式噴射成型的噴射頻率易于控制，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、按需噴射沉積，根據(jù)噴射微熔滴的不同方式可分為氣動(dòng)式、壓片式和脈沖式，氣動(dòng)式采用釋放壓縮氣體對(duì)熔融金屬產(chǎn)生脈沖壓力擠出微熔滴，壓片式則是利用壓片的彈性形變擠壓熔融金屬，而脈沖微孔噴射法[5,6]是通過壓電陶瓷帶動(dòng)傳動(dòng)桿振動(dòng)，從而對(duì)熔融金屬施加脈沖擾動(dòng)，可穩(wěn)定制備出均勻的微熔滴，并且對(duì)原材料沒有限制，因此可以作為一種理想的噴射成型技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，氣動(dòng)脈沖式均勻液滴按需噴射成型首先由多倫多大學(xué)提出[7]，討論了溫度、沉積頻率等參數(shù)對(duì)成型的影響[8,9]，并對(duì)熱傳遞進(jìn)行理論分析[10]，中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)[11,12]和華中科技大學(xué)[13]也進(jìn)行了相關(guān)研究；連續(xù)式均勻液滴噴射沉積成型由麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)提出[14,15]，并研究了制件的微觀結(jié)構(gòu)；日本大阪大學(xué)[16]開發(fā)了液滴的凈成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁制件的成型，但是，針對(duì)以脈沖微孔噴射法為基礎(chǔ)的沉積成型技術(shù)仍缺乏相關(guān)的研究。

本研究主要是基于脈沖微孔噴射法的原理，建立三維沉積系統(tǒng)，并對(duì)脈沖微孔噴射沉積成型技術(shù)的可控性進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究微熔滴沉積的可重復(fù)性以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)沉積成型的影響，確定沉積參數(shù)，制備出完整的薄壁構(gòu)件。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

脈沖微孔均勻液滴噴射成型設(shè)備主要是基于脈沖微孔噴射法(Pulsated Orifice Ejection Method，POEM)的原理[17,18]，利用脈沖微孔噴射系統(tǒng)制成均勻可控的微熔滴，通過專業(yè)切片軟件處理得到所需成型零件的路徑代碼，并編寫和運(yùn)行PMAC語言程序，使三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按照切片路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，噴射出的微熔滴逐點(diǎn)逐層沉積，最終形成立體零件。該設(shè)備主要包括脈沖微孔噴射系統(tǒng)、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)以及圖像采集系統(tǒng)，如圖1所示。其中脈沖微孔噴射系統(tǒng)是通過壓電陶瓷周期性變形并驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿，使坩堝中熔融金屬受到擾動(dòng)作用，打破噴嘴處表面張力與熔體靜壓力的平衡，使一定熔體噴出形成微熔滴；三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)配備PMAC控制器來驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)的定位精度為±2μm；溫度控制系統(tǒng)由加熱器和熱電偶組成，主要控制坩堝的加熱溫度；壓力控制系統(tǒng)主要是在微熔滴噴射過程中向坩堝中施加一定氣壓，與腔體中產(chǎn)生一定的壓力差，保證熔體可以穩(wěn)定的噴出；圖像采集系統(tǒng)采用Photron FASTCAM Mini UX100系列高速攝影機(jī)，對(duì)微熔滴的噴射及沉積狀態(tài)進(jìn)行直觀的實(shí)時(shí)觀察。

圖1 脈沖微孔均勻液滴噴射成型設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the technology of mono-sized droplets deposited form using pulsated orifice ejection

本實(shí)驗(yàn)選用的材料為Sn63Pb37共晶合金，利用脈沖微孔均勻液滴噴射成型設(shè)備進(jìn)行沉積實(shí)驗(yàn)，通過改變平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率及沉積間距來分析沉積實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)沉積精度的影響。采用Zeiss Supra55(VP)掃描電子顯微鏡觀察Sn63Pb37粒子的顯微形貌，采用OLS4000激光共聚焦顯微鏡與MEF4A型金相顯微鏡分析凝固微熔滴的結(jié)合情況。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 微熔滴均勻性分析

在微熔滴沉積過程中要想得到理想的沉積精度，首先要保證沉積的微熔滴尺寸均勻、球形度好。由于不易直接對(duì)微熔滴進(jìn)行研究，因此本研究將微熔滴凝固成粒子后間接研究微熔滴。圖2為脈沖微孔法制備的Sn63Pb37粒子的SEM圖像，可以看出粒子的球形度良好，尺寸均一，粒子表面光滑無明顯凹坑等缺陷，而且粒徑分布集中。利用專業(yè)圖像分析軟件計(jì)算分析得到粒子的平均粒徑為357.39μm， 標(biāo)準(zhǔn)差為2.46μm。因此脈沖微孔噴射法能夠滿足微熔滴沉積的要求，而且高度均一粒子可保證沉積的精度。

圖2 脈沖微孔噴射法制備的Sn63Pb37粒子的SEM圖像Fig.2 The SEM microphotograph of the Sn63Pb37 particles prepared with POEM

2.2 液滴的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

成型過程中液滴的熱狀態(tài)對(duì)沉積距離的選擇有較大的影響。主要對(duì)液滴下落過程中的動(dòng)力學(xué)行為和熱力學(xué)行為進(jìn)行分析，以期為沉積工藝的選擇提供理論基礎(chǔ)。

(1)動(dòng)力學(xué)分析：液滴在下落過程中受重力和氣體阻力的作用，由牛頓第二定律可知速率與下落時(shí)間的關(guān)系為：

(1)

式中：Cd為空氣阻力系數(shù)；v為液滴下落速率；t為液滴下落時(shí)間；m為液滴質(zhì)量；r為液滴半徑。氣體阻力系數(shù)表達(dá)式為：

(2)

式中：Re為雷諾數(shù)，當(dāng)Re<4000時(shí)：

(3)

式中：μ為氣體動(dòng)力黏度；ρg為氣體密度；d為液滴直徑。

(2)熱力學(xué)分析：液滴形成后，由于存在熱對(duì)流及熱輻射散熱，其溫度會(huì)發(fā)生變化。由于液滴的畢渥數(shù)Bi遠(yuǎn)小于0.1[19, 20]，可將液滴內(nèi)部溫度假設(shè)為均勻分布。液滴溫度隨下落時(shí)間變化為：

(4)

式中：T為液滴溫度；Tsur為環(huán)境溫度；ρ為液滴密度；Cp為液滴的比熱容；h為傳熱系數(shù)；ε為輻射系數(shù)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

(5)

式中λ為氣體熱導(dǎo)率。

由上述公式通過計(jì)算可得到液滴溫度與速率隨著沉積距離變化的關(guān)系，如圖3所示，可以看出當(dāng)沉積距離在0.15m以內(nèi)時(shí)，液滴的溫度首先降低達(dá)到熔點(diǎn)溫度后保持不變。這主要是由于開始階段液滴溫度高于熔點(diǎn)，液滴通過對(duì)流和輻射向外散熱，等達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)，液滴釋放結(jié)晶潛熱，使溫度保持不變。從圖3可以看出距離為0.15m時(shí)，液滴未發(fā)生凝固，因此沉積距離應(yīng)選擇小于0.15m。此外隨著沉積距離的增大，液滴的速率不斷增加，當(dāng)沉積距離為0.15m時(shí)，液滴的速率可由初始速率0.551m/s增加至0.986m/s，為沉積距離的選擇提供了參考。結(jié)合此計(jì)算結(jié)果與設(shè)備尺寸，本實(shí)驗(yàn)中的沉積距離選取為80mm。表2為計(jì)算時(shí)所用的參數(shù)[21,22]。

圖3 液滴溫度及速率與沉積距離的關(guān)系Fig.3 The change of velocity and temperature with deposition height

Dropletdensity/(kg·m-3)StephenBoltzmannconstant/(J·K-1)Specificheatofdroplet/(kJ·(kg·K)-1)Densityofargongas/(kg·m-3)Kineticviscosityofargongas/(Pa·s)Thermalconductivityofargongas/(W·(m·K)-1)Heatingtemperature/℃Ambienttemperature/℃Initialvelocity/(m·s-1)Dropletdiameter/μm8.42×1031.38×10-230.221.65422.44×10-70.01795220250.551386

2.3 一維柱沉積時(shí)微熔滴沉積的準(zhǔn)確性分析

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)沉積時(shí)為了能夠得到尺寸精確結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的制件，首先要滿足微熔滴沉積位置的準(zhǔn)確并有可重復(fù)性。圖4為一維柱的沉積過程中的高速攝影照片，描述了一個(gè)微熔滴沉積到已沉積柱上的過程，其中實(shí)驗(yàn)條件為：沉積頻率為2Hz，噴射溫度設(shè)定為220℃。在0.1ms時(shí)下落的微熔滴與柱頂相碰，在沖擊力的作用下發(fā)生融合并壓成餅狀(0.2～0.5ms)，隨后發(fā)生反彈，由于兩者發(fā)生融合因此反彈時(shí)微熔滴不能離開柱頂，在表面張力與沖擊力的作用下，微熔滴在柱頂呈現(xiàn)出起伏振動(dòng)，振動(dòng)幅度逐漸減弱，最終在7.5ms時(shí)趨于穩(wěn)定形成半球形的柱頂。圖5為圖4中沉積柱的縱剖面顯微照片，可以看出微熔滴間發(fā)生良好融合，結(jié)合處無縫隙，結(jié)合良好。而從圖4和圖5均可看出沉積形成的柱豎直，沒有明顯的彎曲而且沉積柱表面無明顯凸起，表明該實(shí)驗(yàn)中微熔滴可以進(jìn)行高重復(fù)性的準(zhǔn)確沉積。

圖4 沉積柱的高速攝影照片F(xiàn)ig.4 High-speed photographs of deposited column

圖5 沉積柱上部(a)和中部(b)的形貌圖片F(xiàn)ig.5 The morphology of the top (a) and middle (b) part of the deposited column

2.4 一維線沉積時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)微熔滴結(jié)合的影響

由于微熔滴的大小是一定的，因此微熔滴的結(jié)合主要由其間距所決定。選取合適的微熔滴間距可使微熔滴間的重合率達(dá)到最佳的狀態(tài)，而且成型的制件有較少的缺陷，甚至達(dá)到理想結(jié)合形成致密件。在沉積過程中通過沉積平臺(tái)運(yùn)動(dòng)來改變微熔滴沉積位置，因此平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率直接改變微熔滴間距。實(shí)驗(yàn)中選取不同的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率來進(jìn)行沉積“線”的實(shí)驗(yàn)，沉積頻率為2Hz，沉積高度不改變?yōu)?0mm，噴射溫度為220℃。圖6為不同平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率時(shí)用高速攝像機(jī)拍攝的微熔滴沉積時(shí)的圖像，圖6(a)～(f)分別對(duì)應(yīng)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率為400，500，600，700，800，900μm/s，圖7(a)～(f)為采用激光共聚焦顯微鏡拍攝的照片，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率分別對(duì)應(yīng)圖6。從圖7可以看出平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速率直接影響微熔滴的結(jié)合程度，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率過大時(shí)，如900μm/s，沉積微熔滴間的間距也過大，微熔滴間距接近微熔滴直徑，微熔滴間的結(jié)合很弱甚至沒有連接；當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率過小時(shí)，如400，500μm/s，沉積微熔滴間發(fā)生過度重合而產(chǎn)生堆積，影響沉積件的尺寸精度并且具有裂紋、空洞等缺陷；當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率為700，800μm/s時(shí)，相鄰微熔滴發(fā)生部分重合，在微熔滴間形成的凹陷和突起，并且凹陷突起高度差距較大，若進(jìn)行下一層微熔滴沉積，沉積到前一層凹陷處的微熔滴會(huì)填充此處凹陷，而沉積到凸起處的液滴不進(jìn)行填充，因此產(chǎn)生沉積高度差異，使下一層的沉積不均勻影響沉積效果；當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率為600μm/s時(shí)，微熔滴間的結(jié)合較好，表面較光滑，利于后續(xù)沉積，因此是最適合沉積的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率。

圖6 不同平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率時(shí)微熔滴結(jié)合高速攝影照片(a)400μm/s；(b)500μm/s；(c)600μm/s；(d)700μm/s；(e)800μm/s；(f)900μm/sFig.6 High-speed photographs of deposited lines under different velocity of working platform(a)400μm/s；(b)500μm/s；(c)600μm/s；(d)700μm/s；(e)800μm/s；(f)900μm/s

圖7 不同平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率時(shí)微熔滴結(jié)合形貌圖像(a)400μm/s；(b)500μm/s；(c)600μm/s；(d)700μm/s；(e)800μm/s；(f)900μm/sFig.7 The morphology of deposited lines under different working platform velocity(a)400μm/s；(b)500μm/s；(c)600μm/s；(d)700μm/s；(e)800μm/s；(f)900μm/s

2.5 制備薄壁器件

基于以上實(shí)驗(yàn)研究，在沉積頻率為2Hz、噴射溫度為220℃、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率為600μm/s時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單薄壁結(jié)構(gòu)的沉積實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，其中圖8(a)為直徑為10mm的薄壁圓柱，沉積層數(shù)為35層；圖8(b)為兩個(gè)相同的圓柱結(jié)構(gòu)，直徑為5mm，沉積層數(shù)為70層；圖8(c)為薄壁正三棱柱結(jié)構(gòu)，底面邊長(zhǎng)為1cm，沉積層數(shù)為60層；圖8(d)為薄壁正三棱柱的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出微熔滴分布均勻、間距適宜。以上薄壁結(jié)構(gòu)形狀完整，并且微熔滴間排布均勻、平整，具有較高的穩(wěn)定性，因此自行研發(fā)的脈沖微孔噴射沉積成型技術(shù)具有良好可操作性，并為制造業(yè)打開一扇新的大門。

圖8 脈沖微孔噴射沉積成型技術(shù)制備的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Three-dimensional droplets components deposited by mono-sized droplets using pulsated orifice ejection

3 結(jié)論

(1)利用脈沖微孔噴射系統(tǒng)進(jìn)行Sn63Pb37共晶合金微熔滴的噴射，可得到球形度好、尺寸均一、表面光滑的粒子，粒子與沉積高度滿足微熔滴沉積成型的需要。

(2)當(dāng)沉積頻率為2Hz時(shí)，微熔滴的沉積具有可重復(fù)性，并且沉積的位置準(zhǔn)確，沉積的一維柱無彎曲現(xiàn)象，微熔滴間結(jié)合良好。

(3)成型過程中工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速率對(duì)微熔滴的結(jié)合形態(tài)具有較大的影響，當(dāng)沉積頻率為2Hz、沉積高度為80mm時(shí)，平臺(tái)以600μm/s的速率運(yùn)動(dòng)，得到的微熔滴結(jié)合形態(tài)較優(yōu)。

(4)該成型方法能夠成功實(shí)現(xiàn)完整的微型件的制備，有望給傳統(tǒng)的制造技術(shù)帶來新的活力。

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Droplets Deposition Based on Pulsated Orifice Ejection

DONG Wei，WEI Yu-ting，KANG Shi-wei，GAI Ru-kun，XU Fu-min，LU Dong

(School of Materials Science and Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning,China)

A novel equipment based on pulsated orifice ejection method was developed, which can be used to three-dimensional fabrication by depositing uniform micro-droplets one by one. The position accuracy of micro droplets in vertical deposition and the influence of velocity of working platform on lines deposition were carried out. The good reproducibility and accuracy of droplets deposition were proved by high speed camera and micro-structure observation. The results show that the overlapping with no obvious defects between adjacent droplets is obtained when the speed of working platform reaches around 600μm/s in lines deposition. Based on the above results, several thin wall components with good flatness were successfully obtained. Therefore this work provides a novel method for metal micro-droplets deposition manufacture.

rapid prototyping；pulsated orifice ejection method；deposition forming；metal micro-droplets

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.10.001

TH16

A

1001-4381(2016)10-0001-07

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013020114)

2015-01-15;

2016-05-10

董偉(1965-)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事單分散微米級(jí)粒子制備與液滴沉積成型方面的研究，聯(lián)系地址：遼寧省大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)大連理工大學(xué)新三束實(shí)驗(yàn)室208(116024)，E-mail: w-dong@dlut.edu.cn