銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射過程數值模擬與分析

遲百宏,洪 元,吳逸民,劉大勇

(北京衛星信息工程研究所,北京 100095)

在宇航與武器裝備制造領域,部組件及產品向小型化、輕量化、多功能和高可靠等方向發展,對傳統的電路組件提出了更高的要求,而對高功能密度結構電路組件的需求則更加強烈。傳統的電氣結構一般采用結構、電路各自獨立設計,再通過二次集成的方式完成,結構分散,空間利用率低,無法滿足高功能密度結構電路設計要求[1]。功能結構復合零部件將不同材料按照功能需求一體化集成到單一結構中,實現結構既是功能的載體,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]等都是功能結構復合零部件。增材制造技術采用逐層堆積的成形方法,具有近凈成形、滿足復雜結構加工需求等優勢[4],但目前常用的增材制造成形方法如選區激光熔化(SLM)、立體光固化成(SLA)等僅能同時打印一種材料,不能滿足異質材料混合成形的需求。微滴噴射成形(MJM)技術通過外部條件控制形成單一液滴,并沉積在基板上,逐點逐層堆積實現快速成形[5],具備多材料同時打印的優勢,滿足功能結構復合零部件的制造需求。

目前國內外針對微滴噴射成形(MJM)技術的研究主要集中在衛星噴射成形工藝、耗材性能及設備對微滴成滴尺度的影響方面,如肖媛等[6]分析了直接驅動型壓電式噴頭微滴產生過程,并開展了數值模擬及試驗驗證;遲百宏[7]開展了基于聚合物材料的微滴噴射過程及相關工藝參數的影響研究;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定性;張楠等[9]針對柔性低熔點鎵銦合金為導電材料打印柔性導線,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,但對于異質材料微滴噴射,除保證單一材料穩定成滴外,應保證兩種材料在噴射過程中的形態變化的一致性,才能滿足在成形過程中的整體精度需求。針對異質材料微滴噴射,舒霞云等[10]設計了一種多材料按需微滴噴射系統,并針對金屬焊料和環氧樹脂膠進行噴射實驗。但這兩種材料用于電子聯裝,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所需的耗材開展微滴噴射的相關研究。

因此,本文依據銀墨水/樹脂雙材料微滴噴射成形設備,通過數值模擬開展材料物性、工藝參數對微滴成滴形態的影響研究,最后通過微滴噴射打印試驗對模擬仿真結果進行驗證。

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噴出(如圖1 所示),兩個非接觸式噴頭在按照輸入的數字信息的驅動下,進行“由點到線、由線到面” 的堆積過程,并層層堆疊,最終實現雙材料結構的打印。

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。在驅動力的作用下液滴在噴嘴處具有一定的初速度,當驅動力隨頻率變化時,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向下噴射,導致微滴尾部頸縮,隨著尾部頸縮加重,微滴尾部發生斷裂,微滴在重力及表面張力作用下呈近似球形繼續向下噴射。

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,為提高模擬的準確性,采用多相流模型中的VOF 流體體積函數模型以及微滴在底板上沉積過程所需要的滑移網格技術。

微滴噴射過程應滿足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x、y、z代表表面張力和重力在相應方向的分量。

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,經測試,耗材及空氣的物性參數如表1 所示。

表1 銀墨水及樹脂的物性參數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格。為驗證底板拖延對微滴沉積的影響,增加底板設置。邊界條件的設置如下:

(1)進口:定義邊界為脈沖速度進口;

(2)出口:定義邊界為壓力出口;

(3)壁面:噴頭內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計算,體積分數采用Geo-Reconstruct 計算,時間步長為1×109s,總的迭代步數因計算工況不同而異。

3 模擬結果分析

為了驗證微滴噴射仿真模型的準確性,以銀墨水材料為例,依據材料屬性和成形設備的調控參數,設置噴射材料黏度為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 時出現拉絲斷裂的現象,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 時出現拉絲斷裂現象,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

經過測量,微滴成滴之后成橢球狀結構,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 的微滴斷裂現象出現在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 的微滴斷裂現象出現在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象出現在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的形狀逐漸往扁平程度大的方向發展,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 時出現拉絲斷裂的現象,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 時出現絲斷現象,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,經碰撞滴落至滑板上呈現蘑菇帽狀;如圖9(c)所示,在脈沖速度為7.58 m/s 時,拉絲現象較前兩者更甚。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,且依然帶有拉絲現象。明顯地,三個工況因脈沖速度的不同使產生的液滴拉絲斷裂、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、衛星滴及在底板上的鋪展狀態Fig.9 The state of micro-droplet forming,satellite droplets and deposition on the bottom of plate at different injection speeds

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

圖10 不同噴射速度下的微滴成形距離和衛星滴數量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果進行驗證,采用Konica 公司的KM512SHX 噴頭的Dragonfly 2020 pro設備進行試驗驗證。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,微滴噴射穩定,無衛星滴,成形液滴直徑70 μm。與圖11(b)的仿真結果對比可以看出,仿真結果與實際微滴成形過程吻合較好,表明了仿真結果的有效性。

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 流體體積函數模型以及微滴沉積網格模型,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均會對微滴成形過程產生影響,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,噴射速度與斷裂距離和衛星滴數量成近線性關系,當噴射速度為3.58 m/s,黏度為0.012 Pa·s,表面張力為0.03 N/m 時衛星滴數量最少,該結論說明常壓、低速、低黏度、低表面張力時衛星滴數量最少。

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