228 / 2021-04-10 17:56:36

铝微滴喷射打印热累积效应演化机理及抑制策略研究

3D打印,微滴喷射,热累积效应,微立柱,变频率

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术是一种新兴的金属增材制造技术，其基本原理是通过对加热熔化后的金属液施加外部激励扰动，使其在驱动压力作用下由喷嘴口处喷射出单颗且微小的金属熔滴，再精确控制沉积基板三维运动与微滴按需喷射间的协调匹配，按照预设扫描轨迹实现金属熔滴的逐点、逐线、逐层打印，最终成形出目标三维结构。该技术无需特制原材料和专用昂贵设备，在微小复杂件、功能器件、非均质件的快速制备以及电路打印和电子封装等领域具有广阔的应用前景。然而，该技术在打印成形过程中通常伴随着热累积效应，导致打印制件成形精度差、组织性能不均匀等问题。基于此，本文进行了7075铝合金柱状件的喷射打印试验，通过高频率（5 Hz）与低频率（1 Hz）打印试验的结果对比，展示了热累积效应对微立柱成形精度的影响，并结合一维导热理论模型对热累积效应进行了半定量分析。为了进一步揭示铝微滴喷射打印过程中热累积效应的演化机理，本文基于流体体积法（VOF）建立了铝微滴打印沉积的三维数值模型，系统研究了铝微滴连续沉积过程中温度场、热通量、固相分数、速度场及凝固形貌的演变规律，详细探究了热累积效应的演化机理及其对成形精度的影响机制。最后，本文基于热平衡理论，提出了有效抑制热累积效应的变频率打印策略，并从理论与试验双重角度验证了该策略的可行性与有效性，为推动基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术的应用奠定基础。