江蘇雷射聯盟導讀：
據悉，按需滴液金屬噴射是一種用於金屬零件增材製造的強大技術。這種方法的成功取決於克服若干技術挑戰。這些挑戰中的主要挑戰之一是單個均勻液滴的受控可重複噴射。來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究團隊模擬了一種新興的金屬三維列印技術「液態金屬噴射」(LMJ)中的液滴噴射過程，這是液態金屬列印技術持續發展的一個關鍵方面。
金屬的增材製造(AM)是一項強大的技術，可實現無與倫比的設計自由度的零件的快速生產。與傳統製造方法相比，金屬增材製造(AM)具有更高的性能和更低的成本，已從原型技術過渡到高價值製造的零件。金屬AM中採用了多種方法：其中選擇性雷射熔化(selective laser melting, SLM)是目前最流行的方法，還有選擇性雷射燒結(selective laser sintering, SLS)、定向能量沉積(directed energy deposition, DED)、粘合劑噴射、層壓板、擠壓和液態金屬噴射(liquid metal jetting, LMJ)等方法。
液態金屬噴射技術之所以吸引人，是因為它與發達的噴墨技術緊密相關，並且在其他金屬增材製造方法中具有多種優勢：原料加工要求低，機械強度高的緻密零件的製造時間短、廢料少、後處理加工最少，以及支持多種金屬或合金的潛力。在按需液滴(Droplet on Demand, DoD) LMJ中，脈衝能量將熔融金屬依次從受控離散液滴中的孔中推出，從而形成任意形狀的結構。這種自由澆鑄工藝會產生直徑在約0.1毫米至1毫米範圍內的液滴，這些液滴在與之前的堆積層接觸時會迅速凝固，從而形成緊密的近淨形狀。
成功的列印需要優化破裂時的液滴長度，以抑制衛星液滴的形成並確保在列印方向上有足夠的動量。這導致識別流體可印刷性窗口或「可印刷性相圖」，最初需要0.1Oh1，儘管最近的研究已經認識到Oh限值隨噴射強度而變化脈衝（由韋伯數表示，We =ρRU2/σ，其中U表示噴射過程中噴嘴的平均速度），確實可以在Oh <0.1的條件下列印，但可接受的範圍也必須減小。這尤其重要，因為液態金屬的高密度和表面張力通常會導致DoD列印以極低的Oh值進行。有一些研究人員觀察到Oh <0.1時液態金屬小滴的受控噴射相對較少，但是，研究專注於研究低Oh態下的詳細液滴形態和動力學還是較少。直接用於氣動液態金屬印刷的實驗和計算研究相結合的次數甚至更少。儘管LMJ技術很重要，但在物理相關的低Oh參數方案中，液滴形成和破裂動力學的詳細表徵仍然缺失。
在本研究中，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員致力於通過闡明氣動驅動的熔融錫滴從噴射到初次破裂的DoD過程來解決這一差距。使用實驗和計算相結合的方法，研究人員遵循從初始噴射到夾斷的液滴動力學和形態，執行高速攝影以提取液滴形狀的時間動態，並將其與跨參數空間的VoF仿真進行比較。
圖1. 液態金屬印表機的示意圖。
▲圖解：信號發生器控制三個平行閥，以對加熱的包含熔融錫的坩堝加壓，該坩堝通過定製的100 m內徑噴嘴噴射。靜態壓力傳感器監控坩堝壓力，而高速相機則使用背光方法以80 kHz的採樣率捕獲液滴的形成。Z級控制用於將坩堝底部插入石英管，該石英管連續用Ar氣體吹掃以限制液滴的氧化。定期使用氧氣傳感器監測管內的氧氣水平。X–Y平臺用於使管在坩堝內居中。
為了進行研究，該團隊建造了一臺可分配錫滴的定製液態金屬印表機。該印表機與高速攝影相結合，充當了自由形式按需滴列印的實驗性試驗臺，並允許團隊在噴射過程中跟蹤詳細的滴動態。
圖2. 高速成像分析用於提取各種參數
▲圖解：（a）強度圖，顯示了75個液滴破裂前的平均實驗液滴形狀。色標尺表示液滴在破裂前立即存在的可能性。（b）所有模擬破裂之前的液滴形狀。將實驗概率圖的50％輪廓輪廓覆蓋在所有模擬結果上，以進行直接比較。噴嘴和墨滴之間的明顯縫隙是低圖像解析度的假象。確實存在液體韌帶。每個面板的左下方列出了韋伯編號（We）。所有面板的比例尺均為200 m。
在這項研究中，研究通過實驗證明了在印刷適性的這個極端角落，無衛星液滴的熔融錫液滴的噴射，並結合了高速攝影分析和流體體積模型來闡明液滴動力學。雖然在低Oh和高We下可以正確描述破裂過程的幾個方面，例如噴嘴附近的尾巴和收縮點增加，但是沒有任何一個參數集可以完全捕獲破裂時的液滴形狀。研究表明，儘管LMJ具有高度的穩定性和可重複性，但建模也極具挑戰性。將來，該團隊計劃在更廣泛的工藝參數中探索液滴噴射，並尋求對影響液滴形狀，破裂和人造衛星形成的因素（包括熱效應，可溼性和表面氧化物的作用）的更多理解。
通過計算機中的分子動力學模擬顯示了納米液滴撞擊到固體壁時是如何破裂的。
本文來源：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