纳米银均匀喷射过程的数值计算与仿真

微滴喷射均匀液滴喷射过程受到多种因素的制约,包括压力波幅值、液滴物性(黏度、表面张力等)、喷嘴尺寸等。为深入理解微滴喷射过程机理,基于流体体积法建立了均匀液滴喷射数值模型,研究了压电驱动电压幅值对低粘度纳米银墨水稳定喷射行为的影响。通过数值仿真,给出了驱动电压幅值与液滴断裂长度、液滴飞行速度的数值关系,以及液滴飞行速度与卫星液滴的变化关系。采用27μm喷嘴直径的工业喷头构建微滴喷射系统,低粘度纳米银墨水为喷射材料,通过观测喷印到光面相纸的液滴尺寸及卫星液滴数量对数值模型进行实验验证。结果表明,液滴飞行速度取决于驱动电压幅值,液滴尺寸分布及卫星液滴数量取决于液滴飞行速度,与数值模型相吻合。通过数值模型仿真,针对纳米银墨水物性指标匹配合适的驱动电压幅值,生成均匀液滴流,对微液滴成型的工业化应用具有重要的理论指导意义。     

带气环旋喷射流流场特征及喷嘴结构正交优化研究

为提高二/三重管法旋喷射流切割土体效率,采用Mixture多相流模型和RNG κ-ε湍流模型,开展了淹没环境下带气环旋喷射流流动模拟研究,获得了射流速度、气液两相体积分布、靶体作用压力等流场特征,并基于L₁₆(4⁵)正交试验设计及误差分析方法,获得了旋喷射流喷嘴关键结构参数对射流速度及其作用靶体压力的影响敏感程度与影响规律。结果表明：带气环旋喷射流能量衰减慢且集中在轴心区域,射流等速核心段长,冲击破坏土体性能好;喷嘴结构参数对射流冲击性能的影响敏感次序为：射流喷嘴出口直径>收敛角>气体喷嘴直径>气液喷嘴间距>射流喷嘴长径比;射流轴心速度及其作用靶体压力随出口直径和气体喷嘴直径的增大呈先快速增加后缓慢增加趋势,随收敛角、长径比、气液喷嘴间距的增大呈先增加后降低趋势。基于此,考虑旋喷射流设备性能,给出了最优结构参数为：射流喷嘴出口直径2.0 mm,收敛角12°或18°,长径比1,气体喷嘴直径0.9 mm,气液喷嘴间距5 mm。     

微滴喷射工艺参数与液滴形态关系的数值模拟

以微滴喷射的增材制造技术为研究对象,采用守恒水平集方法建立了液滴喷射过程的数值仿真的物理数学模型.通过仿真实验分析了液滴喷射的流场分布,采用曲面响应法的中心复合设计建立了拟合模型并进行了修正,提出了液滴喷射过中液滴成球距离和断裂高度分别与入口处压强脉冲的幅值与脉宽的拟合关系式.模拟结果表明:在液滴喷射过程中喷嘴入处的压...     

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。     

均匀液滴喷射过程仿真与试验研究

针对液滴喷射增材制造试验参数调整困难、实施难度较大的现存问题,基于流体体积(Volume of fluid,VOF)两相流模型,建立均匀液滴喷射过程流场的计算模型。采用数值模拟的方法,对液滴喷射过程中的液滴流形态、压力场和速度场及其影响因素进行了研究,揭示了形成均匀液滴流的内在变化规律,得到了均匀液滴喷射过程的最优频率。在模拟结果的基础上,建立了液滴喷射装置并配置了相应的高速拍照系统,对射流断裂形态、喷射过程、喷射速度进行了试验研究。结果表明,射流速度主要取决于喷射压强,液滴流均匀性主要取决于扰动频率和扰动振幅,射流的压力场则呈周期性变化。模拟结果与试验结果吻合较好,说明所提出的建模方法是可行的,为不同情况下射流内部流场的计算提供了实用的方法,也为液滴喷射增材制造技术的应用奠定了理论基础。     

微域保护气对金属微滴喷射过程影响机制研究

金属微滴喷射3D打印过程需在低氧环境(氧含量低于50 ppm)下进行,现有设备常采用带除氧系统的密闭手套箱来维持低氧环境,但因其空间受限,操作不便,很难适应该技术向应用领域拓展。在微滴喷射出口处构建微域低氧环境,既可保护微滴喷射时不被氧化,又能扩大该技术应用范围并提高操作灵活性,是促进金属微滴喷射3D打印技术工程化应用的一个关键。但施加保护气会产生气流扰动,不利于微滴稳定喷射和精确沉积。为解决现有微域保护技术不足,设计开发一种新型环形射流微域保护装置,结合微域保护下的锡合金微滴喷射试验与微域气流流场模拟,揭示氧化和气流动力学对微滴喷射过程作用机制。研究发现当保护气供应不足时,金属射流由于氧化表面张力降低、黏度增大(即Oh数增大),会断裂为带锥形拖尾的单颗熔滴;当保护气供应过大时,气流在射流根部产生二次涡,使射流二次断裂,并生成多颗熔滴。最终在合适参数下打印出较长沉积距离熔合良好、堆叠整齐的锡合金立柱和尺寸均匀、落点准确的凸点阵列,证实环形射流微域保护装置的有效性。研究成果可为金属微滴喷射3D打印技术的推广应用提供关键技术支持和理论基础。     

压电式喷头的微滴喷射行为及其影响因素

设计并加工了一种压电式微滴喷头,并在微滴喷射平台上进行了微滴喷射实验,用CCD相机拍摄到了液滴形成的整个过程。通过激光位移测量平台测量了压电片的振荡曲线,并将位移曲线输入流体模拟求解器,用两相的方法模拟出了微滴形成的过程。模拟显示液滴的形成时间,大小,形状和速度与实验结果拟合得很好。通过对比液滴的形成过程与压电片的振荡曲线,发现主液滴在压电信号为高电平时,已经脱落了微滴喷嘴,基于此提出了通过改变高电平时间和增加压电片的自由振荡衰减阻值提高微滴喷射最高频率的方案。通过微滴喷射行为模拟,解释了微滴喷射实验中出现两条液滴的原因,并通过改变喷腔结构和改变液体黏度,找到了减少额外液滴出现的途径。     

气压驱动金属微熔滴可控喷射及沉积精度分析?

金属微滴按需喷射成形制造中,保证喷射系统按需产生均匀微滴和喷射沉积的位置精度是成形高质量金属零件的关键。采用试验研究的方法,分析喷嘴壁附着杂质对稳定喷射以及工艺参数对微滴均匀性的影响,并对喷射系统在可控喷射情况下按需产生的锡铅合金(Sn60%Pb40%)微滴尺寸分布进行分析;研究沉积高度变化对微滴沉积精度的影响。在上述研究基础上,通过选择合适的沉积高度,沉积制造一个6×6微滴阵列,并对微滴阵列的沉积精度进行分析。结果表明,所产生微滴的平均直径为321μm,尺寸标准偏差为2.897μm,约99%的颗粒分布在平均直径±2.8%附近区间内,分布较集中,均匀性较好;得到了发散距离随沉积高度增加而增大的变化趋势;成形的微滴阵列精度满足制造要求。为后续成形高质量微小金属零件提供必要的基础。     

收缩管型压电式喷头微滴喷射仿真及实验研究

为探究收缩管型压电式喷头微滴喷射过程中内部流场变化规律以及微滴形成过程,利用Gambit软件建立二维轴对称有限元模型,基于Fluent动网格技术,采用VOF两相流模型,对微滴喷射过程进行仿真分析,研究了微滴形成机理。建立微滴喷射系统对微滴喷射过程进行实验,分析收缩管型压电式喷头工作时入口压强对尾滴、附着液滴形成的影响规律。结果表明:储液腔的振动边界运动引起内部压强变化,导致长液带形成,并断裂形成微滴;入口压强影响尾滴与附着液滴的形成;特定振动边界运动存在对应的可用入口压强范围。     

气动膜片式微滴喷射装置理论分析与实验研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现流体按需精确喷射沉积成形的技术。气动膜片式微滴按需喷射装置的原理是以膜片为驱动部件,以压缩气体脉冲为驱动源,通过膜片的弹性变形实现液体腔的体积变化从而产生微液滴。通过建立驱动气压与液体腔内工作压力的关系,分析腔体内液体的流动状态,从而建立气动膜片式喷射系统的数学模型,以此作为优化装置结构和控制参数的依据。此外,利用该装置完成了黏性液体的可控喷射。研究结果为喷射制造的实际应用提供了理论与实验依据。     

压电驱动微点胶器的控制与实验

针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求,研制了压电驱动微点胶器,利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件;基于多物理场耦合的方法,建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后,讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上,开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用,通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示:使用黏度为30mPa·s胶体,直径为10μm的喷嘴,在驱动电压幅值为50V,脉冲宽度为37μs等参数配置下,可获得最小胶滴的体积为8.31pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。     

均匀钎料熔滴喷射装置设计

针对现有焊球生产设备结构复杂、成本高等缺点,设计了实验室用均匀钎料熔滴喷射装置。该装置分为压力控制器、液滴生成器、气体保护装置以及冷却凝固装置四个部分。其中液滴生成器采用喷嘴局部缩径,使熔滴在表面张力差及重力的作用下实现分离,有效地简化了装置的结构,降低了成本。利用所设计的装置对Sn3.0Ag0.5Cu焊球的制备工艺进行优化,并对优化工艺参数下制备的焊球从表面形貌与球形度、焊球尺寸分布以及钎料微观组织等方面进行质量评定。结果表明：喷射压力、喷嘴到冷却介质表面的距离以及喷嘴内径是影响焊球成形的主要因素。优化工艺参数下制备的焊球尺寸均匀、表面光亮、球形度好、内部组织细密无缺陷。所设计的装置能够满足实验室研究钎料喷射过程以及焊球制备的需要。     

气动式微滴喷射过程仿真与尺寸均匀性试验研究

为使气压驱动式微滴喷射装置能产生均匀的微滴和稳定的喷射过程,使用FLUENT建立了二维轴对称计算模型并对微喷过程进行了模拟仿真。研究了气压驱动式微滴按需产生过程及腔体内压力峰值对单颗微滴成形的影响规律,利用构建的喷射系统对水进行喷射试验,并对产生微滴的均匀性进行了研究。仿真获得了单颗微滴的成形过程并得到了腔体内较低压力峰值有利于提高微喷稳定性的结论。实验结果表明,产生的微滴附着直径最大变化率为1.82%,均匀性较好。     

圆管式压电喷头的液体分配

针对用于喷墨打印的圆管式压电喷头建立了计算模型,并且根据它的驱动特点选择了合适的边界条件。介绍了仿真软件针对自由表面流动问题的计算原理。然后,以乙二醇水溶液为例,计算了压电喷头分配该溶液的分配过程;利用液滴成像系统获取了不同时刻的液滴图像,验证了建立的模型和数值算法的正确性。最后,计算了压电喷头在不同输入位移、不同黏度以及不同表面张力下的液体分配过程。仿真结果显示:液体分配性能与激励位移密切相关,在72.5mN/m的表面张力作用下,10nm的输入位移很难分配黏度为4.0mPa·s的液体,而15nm的输入位移在分配黏度为4.0mPa·s液体时却能够产生卫星液滴。因此,对于某种液体寻找一个合适的激励条件非常重要,过小的激励产生不了液滴,过大的激励则会产生较大甚至多个卫星液滴;增大黏度会延缓或阻滞液滴形成过程,增大表面张力却能加快液滴形成过程。本文的计算方法对于研制新式喷头或者研究喷头的喷射能力均具有指导意义。     

A note on spark bubble drop-on-demand droplet generation: simulation and experiment

The fluid dynamics of the spark bubble-generated droplet is studied both experimentally and numerically. The emphasis is especially on the droplet behavior after pinch-off. Commercial inkjet printers often produce satellite droplets along with parent droplets which are not desirable from the viewpoint of printing efficiency. Furthermore, standard drop-on-demand droplet generators are normally restricted to the generation of droplets with the same size as the nozzle diameter. In the spark bubble droplet generation method, a spark-generated bubble induces droplet formation through a hole in a solid surface separating the liquid and air interfaces. Immediately after ignition occurs, a bubble forms and creates pressure waves as it expands and contracts in a nonsymmetrical fashion. These pressure waves, depending on the geometries of the bubble location, plate, and hole may cause a single droplet smaller than the plate aperture to form and break up. In this article, a combined numerical and experimental study has been conducted to investigate the droplet behavior created in this manner. A high-speed camera is utilized to capture the droplet formation process. The numerical simulations have been carried out using the boundary integral spatial solution coupled with the time integration, i.e., a mixed Eulerian–Lagrangian approach. There is reasonable agreement between the simulations and experiment.     

A novel technique to produce metallic microdrops for additive manufacturing

In additive manufacturing (AM), three-dimen sional objects are built layer by layer by joining each layer to the previous one. Those layers can be formed from the direct deposition of metallic drops resulting from the breakage of a micrometer jet. The jet is produced by ejecting through a nozzle/orifice a metal melted in a crucible. In this paper, we propose a novel technique to produce a continuous droplet stream of a low-melting-point alloy for additive manufacturing. Our technique does not make use of a crucible. Instead, the tip of a metal wire is melted by an induction heating system as it is introduced in the nozzle. If the values of the control parameters are chosen appropriately, a quasi-steady jetting regime is established. This method is much more energetically efficient than its counterparts because it consumes just the energy necessary to melt the demanded material at any times.     

一种液体喷射注射系统的设计与检测

液体喷射注射器是一种利用高速药物射流对人体进行药物和疫苗注射的注射系统。影响注射器注射质量的系统参数有:喷孔直径、喷射速度、药物注射剂量、安瓿直径、推射压力和冲撞距离等。与这些参数相关的喷射滞止压力是预测喷射能否穿透皮肤的依据,而喷射功率是描述喷孔直径和喷射速度对注射质量影响的综合参数。根据喷射功率和滞止压力的相关性质,提出一种确定液体喷射注射器关键参数的简便方法,基于这种方法设计了一种喷射注射系统,最后通过所构建的实验系统检测了这种注射系统的喷射性能。结果表明,所提出的方法确定液体喷射注射器的设计参数,其相关喷射性能与已报导的国外喷射注射产品的喷射性能较为一致。     

The effects of injector nozzle geometry and operating pressure conditions on the transient fuel spray behavior

Effects of injector nozzle geometry and operating pressure conditions such as opening pressure, ambient pressure, and injection pressure on the transient fuel spray behavior have been examined by experiments. In order to clarify the effect of internal flow inside nozzle on the external spray, flow details inside model nozzle and real nozzle were also investigated both experimentally and numerically. For the effect of injection pressures, droplet sizes and velocities were obtained at maximum line pressure of 21 MPa and 105 MPa. Droplet sizes produced from the round inlet nozzle were larger than those from the sharp inlet nozzle and the spray angle of the round inlet nozzle was narrower than that from the sharp inlet nozzle. With the increase of opening pressure, spray tip penetration and spray angle were increased at both lower ambient pressure and higher ambient pressure. The velocity and size profiles maintained similarity despite of the substantial change in injection pressure, however, the increased injection pressure produced a higher percentage of droplet that are likely to breakup.     

Investigation of design parameters for droplet generators driven by piezoelectric actuators

This paper presents a numerical analysis of a drop-on-demand (DOD) piezoelectric (PZT) actuated droplet generator. A finite difference numerical model was established to analyze the design parameters of droplet ejection. First, we discussed the influence of the driving conditions on the droplet ejection characteristics, such as the driving time and the driving volume change in the pressure chamber. The volume factor, an important design parameter, was proposed from the analysis. The ejected droplets can maintain the same ejection velocity at different nozzle diameters, as long as the volume factor remains the same. Two empirical formulas, based on the analysis data, are suitable for the design of PZT actuated droplet generator. The first empirical formula is a linear relationship between the droplet velocity and the volume factor with a slope of 0.3422 for different nozzle diameters. The second empirical formula defines the driving volume of PZT and nozzle diameter to eject the desired droplets. The geometrical design parameters of droplet generator, such as the nozzle thickness, the pressure chamber width and depth, as well as the driving conditions of the PZT actuator, are all included in the analysis. The sensitivity of geometrical design parameters which affect the droplet volume, the droplet velocity, and the lowest driving condition is established. The quantitative criterion for ejection of droplet, liquid jet, and no droplet is presented. The proposed empirical formula and figures provide easy-to-use tool for design of DOD PZT actuated droplet generators.