3D打印頭液滴品控方法的研究綜述

史興龍，丁文捷，汪前進(jìn)，李桐滿，趙 楠

（寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

近年來，快速砂型制造技術(shù)——砂型3D打印（three-dimensional sand printing,3DSP）作為鑄造行業(yè)的研究熱點之一，得到了廣泛應(yīng)用。砂型3D打印與傳統(tǒng)鑄造相互結(jié)合形成的3D打印砂型鑄造工藝通過粘接劑層層鋪砂，按照噴射路徑形成各式各樣的鑄造產(chǎn)品，而且其能實現(xiàn)無模具制造，改變了傳統(tǒng)加工的固有思維，凸顯出這種加工方式的靈活性與創(chuàng)新性。砂型打印在機械性能方面亦優(yōu)于傳統(tǒng)翻砂鑄型，其成型效率及尺寸精度較高。

然而，快速砂型制造技術(shù)的成型方式不但依賴于打印頭結(jié)構(gòu)，而且也依賴于打印過程中參數(shù)的調(diào)控。不合理的工藝控制會增加砂型件各向異性的差異，造成模型的斷裂、漂芯等問題[1]；砂型打印的粘接強度取決于材料的噴射厚度，強度越高則砂粒間隙越小，但是會導(dǎo)致砂型件透氣不良，直接影響成型質(zhì)量[2]；脈沖和負(fù)壓設(shè)置參數(shù)是衡量打印成型質(zhì)量的重要參考指標(biāo)，脈沖響應(yīng)時間不當(dāng)或負(fù)壓調(diào)節(jié)過于極端，會使砂型精度大幅度降低[3-4]。目前，雖然國內(nèi)外學(xué)者大力開展了關(guān)于影響3DSP成型品質(zhì)的研究，但液滴成型品質(zhì)控制的微觀研究及其設(shè)計方法的基礎(chǔ)研究還存在可進(jìn)一步探索的空間。本文通過介紹國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于液滴品控的設(shè)計及研究方法，進(jìn)而引出其研究展望；通過分析微流體運動特性，總結(jié)參數(shù)變化發(fā)展規(guī)律和影響關(guān)系，為構(gòu)建3D打印頭液滴品控工程化設(shè)計方法提供了指導(dǎo)。

1 液滴品控方法的研究

為了減小或避免3DSP成型中出現(xiàn)的問題，國內(nèi)外工程技術(shù)人員結(jié)合生產(chǎn)實際，進(jìn)行了大量的試驗研究，其主要包括：打印頭流道結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，微滴噴射特性與滲透浸潤特性的研究等。3D打印頭液滴品控方法的研究內(nèi)容及其解決方式如圖1所示。

圖1 3D打印頭液滴品控方法的研究內(nèi)容及其解決方式

1.1 打印頭流道結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

砂型打印是利用液體噴射裝置噴射液體粘接劑來粘接砂粒的過程。噴射流道尺度小至微米級別，屬于微流體研究范疇，而微流體是目前流體力學(xué)中較為前沿的研究方向。張力等[5]利用Navier-Stokes方程和滑移邊界條件的理論分析模型，開展了不同溫度、梯度條件下微通道內(nèi)氣體努塞爾數(shù)（Nusselt number）的數(shù)值研究，得到了相應(yīng)結(jié)構(gòu)、尺寸的數(shù)據(jù)參數(shù)，該理論研究為設(shè)計打印頭的結(jié)構(gòu)尺寸提供了數(shù)據(jù)參考。B.X.Wang等[6]和X.F.Peng等[7]研究了不同類型流體在微流道的運動狀態(tài)及其影響與關(guān)系，通過流體雷諾數(shù)定量表示了流體流動狀態(tài)，即流體狀態(tài)中層流和湍流的雷諾數(shù)動態(tài)變化，從而對微流體研究作出了一定的理論貢獻(xiàn)。T.M.Harms等[8]采用有限元分析軟件，研究了打印頭流道結(jié)構(gòu)與散熱關(guān)系的影響，分析了不同尺寸、類型下微流道的流動特性和傳熱特性。結(jié)果表明，增大微流道深寬比尺寸，能夠提高打印頭流道結(jié)構(gòu)散熱效果。

1.2 微滴噴射特性與滲透浸潤特性

在微滴噴射方面，噴嘴形成微小墨滴時，一般會經(jīng)過“初始狀態(tài)”“墨滴產(chǎn)生”“墨滴斷裂”“補充墨水”4個階段。微滴形成是由于在孔隙中液體表面張力受到持續(xù)壓力作用，而壓力的轉(zhuǎn)變又依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，由此得出液體噴射形成機理。決定微滴噴射形成的核心要素是液滴尺寸的一致性、噴射精準(zhǔn)性以及運動形態(tài)的可控性。西安工程大學(xué)的張丹等[9]從理論基礎(chǔ)入手，對液滴沉積過程進(jìn)行了理論建模，主要采用VOF法和瞬態(tài)PISO算法研究了液滴的運動形態(tài)并得到了簡化模型，模擬分析了噴射速度與接觸角對沉積過程的影響。結(jié)果表明，在基板接觸角分別為45°，60°和90°這3種情況下，采用45°接觸角時液滴鋪展效果最好。該研究為微滴成型的工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。

在滲透浸潤特性方面，前人做了大量有關(guān)液滴碰撞運動特性的研究[10-15]，為液滴精確成型及提高成型質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)。張濤等[16]分析了液滴碰撞的運動特性，將高速攝像機作為試驗的可視化捕捉工具，分別研究了液滴碰撞后出現(xiàn)的融合振蕩和破碎狀態(tài)。在融合振蕩過程研究中，選取無量綱寬長比作為試驗的物理參量，發(fā)現(xiàn)液滴尺寸比分別為2.5和1.8時，前者的持續(xù)振蕩時間長，并且通過繪制參數(shù)變化曲線，指出了無量綱寬長比與液滴碰撞速度的內(nèi)在關(guān)系；在破碎過程研究中，分析了相對碰撞速度分別為3.08 m/s，3.44 m/s和3.77 m/s時的液滴運動形態(tài)，提出速度是影響液滴破碎的關(guān)鍵物理量，而且碰撞初速度越大，破碎形態(tài)越容易實現(xiàn)，另外還提出AND溶液的研究介質(zhì)，為后續(xù)深入研究流體物性參數(shù)與其形態(tài)變化的關(guān)系作出了貢獻(xiàn)。

2 現(xiàn)存問題及展望

前人對微滴噴射品質(zhì)給出了若干評價指標(biāo)。李思祥等[17]為了得到微滴噴射的最佳打印狀態(tài)，利用仿真試驗研究了墨水正常工作時的噴射要求。結(jié)果表明，液滴黏度為13 cp、表面張力為31 mN/m時，可以達(dá)到最佳噴射效果。高輝[18]采用700 Hz的壓電陶瓷成型頭，研究了振動桿與噴嘴套的直徑、間隙對微滴噴射工藝的影響。試驗證明，調(diào)控工藝參數(shù)有助于研究液滴成型性能。在噴射落點精度方面，趙海明[19]提出了一種共軸噴射式噴頭，其噴射精度達(dá)到1～10μm，并且通過一系列有關(guān)成型結(jié)果的工藝參數(shù)研究，實現(xiàn)了精準(zhǔn)噴射，在大批量、大尺寸生產(chǎn)制造中體現(xiàn)出該噴頭的顯著優(yōu)點。楊平等[20]認(rèn)為氣泡的產(chǎn)生與粘接墨水中溶解的空氣量有關(guān)，列舉了一些常規(guī)脫氣方法，并且引入了一種脫氣裝置，其利用墨盒中的電磁泵和電磁閥進(jìn)行脫氣處理，從而實現(xiàn)了高質(zhì)量噴墨。目前，有關(guān)微滴品控的研究方法比較完備，但是有關(guān)3D打印頭液滴品控方法的理論研究并不完善，因此需要對打印時微滴運動特性的發(fā)展規(guī)律及內(nèi)在關(guān)聯(lián)作出進(jìn)一步的試驗探究。未來可開展的研究內(nèi)容主要包括：基于多介質(zhì)微滴噴射動力學(xué)、浸潤動力學(xué)、氣泡動力學(xué)等特性研究，揭示影響微滴噴射打印品質(zhì)的諸多因素及其關(guān)聯(lián)度；實現(xiàn)液滴精細(xì)調(diào)控和精準(zhǔn)成型，為制定陣列3D打印頭液滴品質(zhì)評價與控制方法提供理論依據(jù)。在打印材料微流體輸送特性、微滴形成與噴射機理研究的基礎(chǔ)上，尚有以下問題需要進(jìn)一步探索。

2.1 微滴生成特性的仿真與試驗研究

研究表明，微滴在基材上的沉積、擴散、重疊和固化歷程會受到3DSP成型中生成特性的影響[21-25]。研究微滴噴射及鋪展特性，對于減小液滴生成尺寸，提高其生成頻率和穩(wěn)定性有重要意義。影響微滴生成特性的因素較多，但在以往的研究中僅指出微滴生成特性對生成效果有較大影響，而指導(dǎo)液滴品控研究的多因素橫向?qū)Ρ饶Ｐ腿杂胁蛔?，因此必須進(jìn)行更加深入的微流體模型仿真研究及試驗分析。鋪展特性可用以研究粉體表面受到液滴撞擊、滲流浸潤作用后的綜合關(guān)聯(lián)。液滴生成特性如圖2所示。

圖2 3D打印頭液滴鋪展過程示意圖

微滴生成特性的試驗內(nèi)容包括：

（1）借助陣列噴孔試驗平臺，對噴頭單元設(shè)置不同的噴射條件，得到不同狀態(tài)的微滴；攝像采集系統(tǒng)記錄各噴射條件下獲得的微滴噴射序列圖片，然后利用時間序列數(shù)字圖像處理方法，計算出不同噴射條件所對應(yīng)的微滴噴射參數(shù)（噴射微滴大小與速度，韋伯?dāng)?shù)）；

（2）利用噴射試驗記錄結(jié)果，對噴頭單元設(shè)置噴射條件，選擇噴射參數(shù)合適的微滴進(jìn)行打??；更換具有不同致密度和粉末顆粒粒徑的砂床樣品，研究不同試驗參數(shù)（韋伯?dāng)?shù)、砂床致密度、砂床顆粒粒徑）對單個微滴鋪展過程的影響；

（3）利用由多個噴頭單元組合而成的陣列噴頭試驗平臺，開展群滴試驗，分別采用錯位打印、金字塔打印及組合打印方式，控制噴頭噴射方式、循環(huán)打開噴孔方法以及間位噴射方法，拍攝群滴滴落過程影像，為研究不同試驗參數(shù)對打印試樣質(zhì)量指標(biāo)（表面粗糙度、致密度、抗拉和抗壓強度以及形狀精度系數(shù)）的影響奠定基礎(chǔ)；

（4）進(jìn)行影像數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，測算動力學(xué)參數(shù)，驗證液滴鋪展過程的能量耗散方式，總結(jié)微滴群互擾對鋪展效果的影響。

2.2 陣列液滴的品質(zhì)評價指標(biāo)研究

人們在3D打印中提出了諸多關(guān)于單液滴噴射品質(zhì)的評價指標(biāo)，并對其影響因素進(jìn)行了相關(guān)研究[26-31]，但對噴頭集成陣列液滴的品質(zhì)研究仍不夠全面，特別是還需要考慮采用多噴孔、大幅面打印的液滴鋪展品質(zhì)指標(biāo)等問題。探尋此類指標(biāo)對提升噴射精準(zhǔn)程度、砂型成型強度及降低噴孔堵塞概率具有一定的參考價值，因此研究陣列液滴品控方法是未來3DSP的核心發(fā)展方向。

2.2.1 液滴噴射變形品質(zhì)的分析 液滴變形是在噴射后逐步完成的，歷經(jīng)具尾液滴、水滴形液滴、球形液滴、鋪展液滴4個過程，如圖3所示。變形過程中有對應(yīng)的噴射速度、噴頭-砂床間距以及起塵高度。過高的噴頭-砂床間距能夠避開起塵高度，避免砂粒飛入噴孔，但會受到氣體擾流影響，造成液滴偏移，如圖4所示。一般來講，液滴噴射速度為3 m/s時，可將高目數(shù)（200目）硅砂激起30 mm左右的高度，超過了噴口-砂床高度（2～5 mm），從而導(dǎo)致噴孔堵塞變徑及干擾沉降等不利于鋪展的情況發(fā)生。因此，需要通過仿真方法，得到球形液滴形成至液滴鋪展的必要時間以及噴頭-砂床間距。結(jié)合前人提出的應(yīng)對擾流裝置，可以分別進(jìn)行逐液滴和群液滴打印試驗，使用高速攝像技術(shù)跟蹤噴射液滴變形過程，觀察避開飛砂的起塵高度、避免擾流的液滴偏移技術(shù)效果、液滴群飛行互擾的技術(shù)效果，分析噴射特性的改變對噴后液滴變形（球形度、橢圓度）的影響，從而驗證液滴變形必要時間和必要距離存在的合理性，這是液滴鋪展品質(zhì)分析的基礎(chǔ)。

圖3 3D打印頭液滴變形過程示意圖

圖4 3D打印頭液滴變形必要距離示意圖

2.2.2 液滴鋪展品質(zhì)的分析 液滴鋪展關(guān)系到液滴重疊和銜接，直接影響砂粒粘接強度和砂型強度。首先分析影響鋪展品質(zhì)的著層球形度、鋪展橢圓度、多液滴搭接重合量、噴孔替代的中心偏移量、鋪展半徑偏差、浸潤滲流深度和廣度等物理量的工藝設(shè)定值，如圖5～圖6所示；然后調(diào)整不同設(shè)定值，進(jìn)行打印，按正交試驗方法積累數(shù)據(jù)；最后通過各類分析手段，確定液滴鋪展品質(zhì)的影響因素及其影響程度，并采用離散元理論進(jìn)行液滴鋪展對砂床的動力學(xué)分析，探究砂粒受到液滴沖擊作用（速度、滴形、液量、黏度、表面張力、浸潤角等）時的微觀力學(xué)行為與液滴鋪展的關(guān)系，深入地進(jìn)行影響機理分析，完成試驗驗證。

圖5 3D打印頭液滴浸潤滲流廣度示意圖

圖6 3D打印頭液滴浸潤滲流深度示意圖

2.2.3 品質(zhì)評價與控制指標(biāo)的確定 品控評價的基礎(chǔ)是品控指標(biāo)，品控評價指標(biāo)的篩選、確定又以“具備明確的致因機理，關(guān)聯(lián)度高，適合工藝調(diào)控應(yīng)用，指導(dǎo)陣列打印頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”為原則。數(shù)據(jù)集合的元素構(gòu)建采用數(shù)據(jù)分析方法，即：圍繞工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和研究過程數(shù)據(jù)，構(gòu)建分析數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和挖掘方法，進(jìn)行元數(shù)據(jù)整理和清洗，建立品控指標(biāo)分析與評價的數(shù)據(jù)倉庫。結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法、致因機理，可以構(gòu)建品控因果關(guān)系模型θ=f（Ω），并通過實踐應(yīng)用，檢驗指標(biāo)映射關(guān)系f的科學(xué)合理性，如圖7所示，進(jìn)而分析和解釋其內(nèi)在邏輯和原理，為評價噴射液滴、鋪展成型、砂型品質(zhì)提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步開展品質(zhì)控制研究指明技術(shù)方向。

圖7 3D打印頭液滴品控評價指標(biāo)構(gòu)建示意圖

3 結(jié)論

本文介紹了3DSP液滴品控方法的國內(nèi)外研究進(jìn)展，可知大部分學(xué)者研究的是流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及微流體特性問題。由此，展望后續(xù)的研究內(nèi)容如下。

（1）微滴生成特性的仿真與試驗研究。鑒于噴射特性涉及諸多因素，故而應(yīng)將因素進(jìn)行分類研究，每一類研究中按參數(shù)不同進(jìn)行分組仿真試驗，通過高速攝像技術(shù)對其行為進(jìn)行觀察和數(shù)據(jù)分析。另外，找出鋪展運動參數(shù)與微滴流體屬性影響群滴線寬、層厚的定量關(guān)系，構(gòu)建微滴群鋪展特性方程，從而總結(jié)出微滴群互擾對鋪展效果的影響特性。

（2）陣列液滴的品質(zhì)評價指標(biāo)研究。研究多孔陣列液滴品控方法是實現(xiàn)大幅面成型打印的前提，未來需要驗證液滴變形必要時間、變形必要距離存在的合理性，這是液滴鋪展品質(zhì)分析的基礎(chǔ)。此外，還要探究液滴運動特性的微觀力學(xué)行為與液滴鋪展的關(guān)系，從而明確陣列液滴的品質(zhì)評價與控制指標(biāo)。

目前，在有限元分析工具的支撐下，業(yè)內(nèi)開展了諸多液滴品控微流體技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計研究，但仍存在設(shè)計方法及理論的盲區(qū)，還需要進(jìn)一步地探究微滴運動特性及其影響規(guī)律，從而建立工程化設(shè)計方法，滿足實際應(yīng)用需求。