銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射過程數(shù)值模擬與分析

遲百宏,洪 元,吳逸民,劉大勇

(北京衛(wèi)星信息工程研究所,北京 100095)

在宇航與武器裝備制造領(lǐng)域,部組件及產(chǎn)品向小型化、輕量化、多功能和高可靠等方向發(fā)展,對傳統(tǒng)的電路組件提出了更高的要求,而對高功能密度結(jié)構(gòu)電路組件的需求則更加強烈。傳統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)一般采用結(jié)構(gòu)、電路各自獨立設(shè)計,再通過二次集成的方式完成,結(jié)構(gòu)分散,空間利用率低,無法滿足高功能密度結(jié)構(gòu)電路設(shè)計要求[1]。功能結(jié)構(gòu)復(fù)合零部件將不同材料按照功能需求一體化集成到單一結(jié)構(gòu)中,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)既是功能的載體,又能保留其承載能力,目前研究較多的如共形天線[2]、頻率選擇表面以及超材料吸波體[3]等都是功能結(jié)構(gòu)復(fù)合零部件。增材制造技術(shù)采用逐層堆積的成形方法,具有近凈成形、滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工需求等優(yōu)勢[4],但目前常用的增材制造成形方法如選區(qū)激光熔化(SLM)、立體光固化成(SLA)等僅能同時打印一種材料,不能滿足異質(zhì)材料混合成形的需求。微滴噴射成形(MJM)技術(shù)通過外部條件控制形成單一液滴,并沉積在基板上,逐點逐層堆積實現(xiàn)快速成形[5],具備多材料同時打印的優(yōu)勢,滿足功能結(jié)構(gòu)復(fù)合零部件的制造需求。

目前國內(nèi)外針對微滴噴射成形(MJM)技術(shù)的研究主要集中在衛(wèi)星噴射成形工藝、耗材性能及設(shè)備對微滴成滴尺度的影響方面,如肖媛等[6]分析了直接驅(qū)動型壓電式噴頭微滴產(chǎn)生過程,并開展了數(shù)值模擬及試驗驗證;遲百宏[7]開展了基于聚合物材料的微滴噴射過程及相關(guān)工藝參數(shù)的影響研究;張磊等[8]研究了納米顆粒懸浮墨水在微滴噴射過程中的穩(wěn)定性;張楠等[9]針對柔性低熔點鎵銦合金為導(dǎo)電材料打印柔性導(dǎo)線,通過實驗方法研究了液柱伸長、液滴長大、縮頸變形、斷裂成滴的過程。上述研究主要開展了單一材料的微滴成形要素分析,但對于異質(zhì)材料微滴噴射,除保證單一材料穩(wěn)定成滴外,應(yīng)保證兩種材料在噴射過程中的形態(tài)變化的一致性,才能滿足在成形過程中的整體精度需求。針對異質(zhì)材料微滴噴射,舒霞云等[10]設(shè)計了一種多材料按需微滴噴射系統(tǒng),并針對金屬焊料和環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行噴射實驗。但這兩種材料用于電子聯(lián)裝,難以用于多層堆疊打印。因此,需要針對微滴噴射增材制造技術(shù)所需的耗材開展微滴噴射的相關(guān)研究。

因此,本文依據(jù)銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射成形設(shè)備,通過數(shù)值模擬開展材料物性、工藝參數(shù)對微滴成滴形態(tài)的影響研究,最后通過微滴噴射打印試驗對模擬仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射成形原理

在銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射過程中,銀墨水和樹脂分別通過各自的噴頭以微滴的形態(tài)噴出(如圖1 所示),兩個非接觸式噴頭在按照輸入的數(shù)字信息的驅(qū)動下,進(jìn)行“由點到線、由線到面” 的堆積過程,并層層堆疊,最終實現(xiàn)雙材料結(jié)構(gòu)的打印。

圖1 銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射成形原理圖Fig.1 Schematic of sliver ink/resin two-component micro-droplets jetting

液滴在壓力推動下從各自的噴嘴中擠出,成形過程經(jīng)歷了四個階段:微滴擠出、微滴伸長、微滴緊縮以及微滴下落[11],如圖2 所示。在驅(qū)動力的作用下液滴在噴嘴處具有一定的初速度,當(dāng)驅(qū)動力隨頻率變化時,微滴擠出速度減小,微滴尾部收縮,而微滴在初速度的作用下繼續(xù)向下噴射,導(dǎo)致微滴尾部頸縮,隨著尾部頸縮加重,微滴尾部發(fā)生斷裂,微滴在重力及表面張力作用下呈近似球形繼續(xù)向下噴射。

圖2 微滴噴射形成過程原理圖[7]Fig.2 Schematic of micro-droplets jetting process[7]

2 噴射過程理論模型與建模

微滴噴射屬于氣液兩相流的耦合,為提高模擬的準(zhǔn)確性,采用多相流模型中的VOF 流體體積函數(shù)模型以及微滴在底板上沉積過程所需要的滑移網(wǎng)格技術(shù)。

微滴噴射過程應(yīng)滿足Navier-Stokes 方程以及在重力和表面張力的作用下流體的重力方程,其公式如下所示:

式中:u、v、w分別代表x、y、z方向的速度分量數(shù)值;ρ、p、μ分別代表密度、壓力和黏度;Fσ和ρg分別代表代表流體和空氣間的表面張力和重力,下標(biāo)x、y、z代表表面張力和重力在相應(yīng)方向的分量。

由公式得知,微滴噴射過程受到重力、慣性力、表面張力及黏性力的共同作用,因此耗材的密度、噴射速度、表面張力系數(shù)及黏度決定了其微滴成形的效果。所使用耗材包括銀墨水和樹脂,經(jīng)測試,耗材及空氣的物性參數(shù)如表1 所示。

表1 銀墨水及樹脂的物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters of silver ink and resin

為了獲得微滴噴射過程中微滴的形狀及位置變化情況,跟蹤微滴成形過程,建立微滴噴射成形計算模型,如圖3 所示,并基于此模型研究材料黏度、表面張力及脈沖速度等參數(shù)對微滴成形過程的影響。

圖3 微滴噴射成形計算模型(單位:μm)Fig.3 Calculation model of micro-droplets jetting forming (Unit:μm)

所設(shè)定的計算模型包括耗材域、空氣域和底板。為保證微滴噴射成滴過程的計算時間、流動特征及過程的可視化,對其采用的二維模型選用四邊形網(wǎng)格。為驗證底板拖延對微滴沉積的影響,增加底板設(shè)置。邊界條件的設(shè)置如下:

(1)進(jìn)口:定義邊界為脈沖速度進(jìn)口;

(2)出口:定義邊界為壓力出口;

(3)壁面:噴頭內(nèi)與耗材域接觸的壁面為潤濕壁面,其潤濕接觸角為5°;空氣域內(nèi)壁面為非潤濕壁面,角度為90°;底板定義為滑移壁面。

采用PISO 求解方法,動量方程采用二階迎風(fēng)計算,體積分?jǐn)?shù)采用Geo-Reconstruct 計算,時間步長為1×109s,總的迭代步數(shù)因計算工況不同而異。

3 模擬結(jié)果分析

為了驗證微滴噴射仿真模型的準(zhǔn)確性,以銀墨水材料為例,依據(jù)材料屬性和成形設(shè)備的調(diào)控參數(shù),設(shè)置噴射材料黏度為0.012 Pa·s、表面張力為0.03 N/m,脈沖速度為3.58 m/s 時得到微滴噴射成形過程圖,如圖4 所示,符合微滴噴射的基本過程。

圖4 微滴噴射過程仿真圖Fig.4 Simulation diagram of micro-droplets jetting process

3.1 材料黏度對微滴成形的影響

為了研究材料黏度對微滴成形的影響,設(shè)定噴射微滴的表面張力為0.03 N/m,噴射速度為3.58 m/s,依次仿真銀墨水(黏度0.016 Pa·s)和樹脂(黏度0.012 Pa·s)的微滴成形過程,得到不同時刻下微滴液相分布過程圖,如圖5 所示。

圖5 (a)銀墨水微滴噴射效果;(b)樹脂微滴噴射效果Fig.5 (a) Micro-droplets jetting process of sliver ink;(b) Micro-droplets jetting process of resin

依據(jù)噴射過程,可以分析微滴體積變化以及成形距離,如圖6 所示。銀墨水材料在90 μs 時出現(xiàn)拉絲斷裂的現(xiàn)象,在絲斷后,120 μs 時液滴呈近似圓形向滑板域滴落,在414 μs 時滴落至滑板;樹脂材料在90 μs 時出現(xiàn)拉絲斷裂現(xiàn)象,在120 μs 之后拉絲徹底斷裂,液滴以近似圓形向滑板滴落,但因黏度較小,故在393 μs 時已滴落至滑板面,較銀墨水材料所用的滴落時間少,說明黏度的大小對液滴滑落的時間有影響,且黏度越大,液滴越接近圓形,尺度越規(guī)則。黏度的大小對滴落時間及成形、尺度有影響。

圖6 在不同時刻下的微滴噴射距離Fig.6 The distance of micro-droplets jetting at different time

經(jīng)過測量,微滴成滴之后成橢球狀結(jié)構(gòu),其中銀墨水微滴水平直徑約為80 μm,豎直直徑約為100 μm,體積約3.4×105μm3;樹脂材料微滴水平直徑約為70 μm,豎直直徑約為85 μm,體積約為2.4×105μm3。

3.2 材料表面張力對微滴成形的影響

為了研究表面張力對微滴噴射成形的影響,選用樹脂材料,噴射速度為5.58 m/s,依次仿真表面張力為0.02,0.03,0.04 N/m 時的微滴成形過程,得到的微滴液相分布過程如圖7 所示。

圖7 不同表面張力下的微滴斷裂、成形及在底板沉積時的狀態(tài)Fig.7 The state of micro-droplets fracture,forming and deposition on the bottom of plate under different surface tension

如圖8(a)所示,表面張力0.02 N/m 的微滴斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)在80 μs,徹底斷裂在150 μs,斷裂距離為752 μm,成形距離為1172 μm,微滴落至底板時呈現(xiàn)近扁平蘑菇帽狀,平鋪直徑為141 μm;如圖8(b)所示,表面張力0.03 N/m 的微滴斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)在80 μs,斷裂距離為719 μm,在150 μs 徹底斷裂,成形距離為1141 μm,微滴落至底板時呈現(xiàn)近扁平蘑菇帽狀,平鋪直徑為163 μm;如圖8(c)所示,表面張力0.04 N/m 的微滴拉絲開始斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)在75 μs,斷裂距離為692 μm,徹底斷裂在150 μs,斷裂距離為1108 μm,落至底板上的平鋪直徑為181 μm,滴落至滑板的形狀較前兩者扁平程度更大,蘑菇帽狀更明顯。這說明,隨著表面張力的增大,微滴拉絲開始斷裂時間不同,滴落至滑板過程中所呈現(xiàn)的形狀逐漸往扁平程度大的方向發(fā)展,表面張力影響微滴噴射成滴過程中的拉絲斷裂時間及其成形的形狀。

圖8 不同表面張力下的微滴斷裂距離、成形距離及在底板上的鋪展直徑Fig.8 The distance of micro-droplets fracture,forming and deposition diameter on the bottom of plate under different surface tension

3.3 噴嘴處脈沖速度對微滴成形的影響

為了研究噴射速度對微滴噴射成形的影響,選用樹脂材料(黏度0.012 Pa·s)、表面張力0.04 N/m,依次仿真噴射速度為3.58,5.58,7.58 m/s,得到的微滴液相分布過程圖如圖9。

如圖9(a)所示,脈沖速度為3.58 m/s 時微滴噴射成滴過程中,在90 μs 時出現(xiàn)拉絲斷裂的現(xiàn)象,在絲斷后,120 μs 時液滴呈近似圓形向滑板域滴落,在414 μs 時滴落至滑板;如圖9(b)所示,脈沖速度為5.58 m/s 時拉絲較明顯,在80 μs 時出現(xiàn)絲斷現(xiàn)象,在絲斷后以橢圓形的液滴向滑板滴落,在200 μs 時滴落至滑板上,經(jīng)碰撞滴落至滑板上呈現(xiàn)蘑菇帽狀;如圖9(c)所示,在脈沖速度為7.58 m/s 時,拉絲現(xiàn)象較前兩者更甚。因脈沖速度較大,在70 μs 時絲斷開始,此時液滴已滴落至空氣域的2/3 處,在130 μs 時滴落至滑板,且依然帶有拉絲現(xiàn)象。明顯地,三個工況因脈沖速度的不同使產(chǎn)生的液滴拉絲斷裂、液滴滴落滑板域的時間以及液滴的形狀、尺度不同。

圖9 不同噴射速度下的微滴成形、衛(wèi)星滴及在底板上的鋪展?fàn)顟B(tài)Fig.9 The state of micro-droplet forming,satellite droplets and deposition on the bottom of plate at different injection speeds

依據(jù)微滴噴射過程,所得不同噴射速度下的微滴成形距離和衛(wèi)星滴數(shù)量如圖10 所示。隨著噴射速度的增加,其微滴的成形距離越長,且產(chǎn)生的衛(wèi)星滴越多。當(dāng)噴射速度為3.58 m/s 時,衛(wèi)星滴數(shù)量最少。該結(jié)論說明:常壓、低速、低黏度、低表面張力時,衛(wèi)星滴數(shù)量最少。因此為了保證成形精度,應(yīng)降低噴射速度。

圖10 不同噴射速度下的微滴成形距離和衛(wèi)星滴數(shù)量Fig.10 The distance of micro-droplet forming and number of satellite droplets at different injection speeds

4 微滴噴射試驗

為了對微滴噴射的仿真結(jié)果進(jìn)行驗證,采用Konica 公司的KM512SHX 噴頭的Dragonfly 2020 pro設(shè)備進(jìn)行試驗驗證。其中,噴射速度選定為3.58 m/s,噴嘴直徑為60 μm,圖像采集選用i-SPEED2 高速攝像機,可對微滴噴射圖像進(jìn)行觀測采集。所采集的樹脂材料微滴噴射圖像及仿真對比圖如圖11 所示。

從圖11(a)微滴成形過程照片可以看出,微滴噴射穩(wěn)定,無衛(wèi)星滴,成形液滴直徑70 μm。與圖11(b)的仿真結(jié)果對比可以看出,仿真結(jié)果與實際微滴成形過程吻合較好,表明了仿真結(jié)果的有效性。

圖11 (a)微滴成形過程實驗;(b)仿真對比圖Fig.11 (a) Experimental photo of micro-droplets jetting process;(b) Comparison photo of simulation

5 結(jié)論

基于銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射成形原理,建立了基于氣液兩相流耦合的VOF 流體體積函數(shù)模型以及微滴沉積網(wǎng)格模型,模擬了微滴成形過程,并開展微滴噴射成形驗證實驗,所得結(jié)論如下:

(1)黏度、表面張力以及噴頭的噴射速度等材料及工藝參數(shù)均會對微滴成形過程產(chǎn)生影響,其中黏度影響微滴成形距離及微滴體積,黏度增大會增加成形時間,并增大微滴體積。

(2)表面張力影響微滴斷裂距離及底板鋪展面積,表面張力越大,成形距離越短,在底板上的鋪展面積越小。

(3)噴射速度影響微滴成形距離及成形形態(tài),噴射速度與斷裂距離和衛(wèi)星滴數(shù)量成近線性關(guān)系,當(dāng)噴射速度為3.58 m/s,黏度為0.012 Pa·s,表面張力為0.03 N/m 時衛(wèi)星滴數(shù)量最少,該結(jié)論說明常壓、低速、低黏度、低表面張力時衛(wèi)星滴數(shù)量最少。

(4)成形液滴直徑為70 μm,與仿真結(jié)果一致,噴射試驗與仿真較好吻合,表明了仿真結(jié)果的有效性。