流固耦合的高精度数值模型|新国大苏研院闫文韬团队发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）研究员闫文韬及团队成员在国际学术期刊《材料学报》（Acta Materialia）上发表研究成果。研究团队开发了流固耦合的高精度数值模型，首次完全再现了粘合剂流动和粉末运动的动量和能量的双向相互作用。

研究团队

本成果以”High-fidelity modeling of binder–powder interactions in binder jetting: Binder flow and powder dynamics”为题发表在《Acta Materialia》上。论文第一作者为新加坡国立大学机械工程系博士生杨泽世，通讯作者为新国大苏研院能源与环境纳米科技创新平台研究员闫文韬。

研究背景

粘合剂喷射是一种创新的增材制造工艺，近年来获得了巨大的关注。与基于熔融的增材制造技术相比，粘合剂喷射技术具有制造时间短、材料消耗少、材料选择范围广且不受气氛限制的优点。然而，粘合剂液滴和粉末床的相互作用尚不完全清楚，这极大地阻碍了粘合剂喷射方法的发展。粘合剂液滴和粉末床的相互作用可分为两类现象：粘合剂运动，包括粘合剂在粉末床中的铺展和渗透；粉末运动，包括粉末团聚和飞溅。粘合剂如何扩散和渗透对生件质量起着重要作用，通常需要进行大量的试错实验来优化工艺参数，以避免生件相对密度较低以及过饱和等现象。粉末飞溅可能会在粉末床内部留下空隙，从而增加最终零件的孔隙率，并且飞溅颗粒在喷嘴头上的粘附会降低喷射性能。因此，了解粘合剂与粉末的相互作用对于提高零件质量和粘合剂喷射工艺的可靠性非常重要。

 ▲粘合剂的形态和速度变化：(a) 粘合剂在颗粒表面铺展。(b) 随着速度减小，粘结剂的大部分速度矢量向下指向负-Z方向。(c) 当速度矢量指向粘合剂中心时，粘合剂开始回流收缩。(d) 粘结剂在粉末床上方形成粘合剂的球面曲面。(e) 实验观察的液滴变形过程。

研究结果

闫文韬团队开发了流固耦合的高精度数值模型，首次完全再现了粘合剂流动和粉末运动的动量和能量的双向相互作用。该模型准确地再现了粘合剂液滴的撞击、粘合剂的铺展和渗透以及粉末颗粒的飞溅和团聚。

▲(a) 粉末飞溅过程。(b) 单个粉末颗粒的溅射过程。红色箭头代表粉末颗粒之间的碰撞，蓝色箭头代表颗粒的飞溅方向。(c)–(d) 模拟结果与 X 射线成像结果的粒子飞溅速度量化比较。

研究结果发现粘合剂的渗透和铺展主要由表面张力驱动。粉末颗粒之间的碰撞对粘合剂的铺展方向影响较大，但对粘合剂渗透的影响较小。团聚体的尺寸和粉末飞溅速度都与文献中的实验测量结果非常吻合。此外，研究团队基于该模型研究了喷射方式和间距对粘结剂与粉末相互作用的影响。与顺序喷射模式相比，同时喷射模式固有的高效率可以减少粉末飞溅但会降低尺寸精度。当粘合剂喷射间距变化时，粉末颗粒的飞溅速度保持在较宽的范围内。尽管随着间距的增加，更多的粉末颗粒从粉末床飞溅出来，但在测试的所有间距条件下粉末颗粒的平均飞溅速度都很接近。

应用场景

此项工作为可喷射粘合剂的工业应用提供了实际指导，有助于粘合剂在航空、医疗等领域的广泛应用，比如制作航空发动机零件、医疗植入物、义肢和牙科器械设备等复合材料与制造复杂零部件结构等方面。研究团队的数值模拟模型有助于优化工艺参数，减少试错次数，提高生产效率，并降低成本，预测生产中可能出现的问题并采取相应的措施。