高压静电射流喷印微结构机理与实验研究

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针对传统增材制造技术难以制备出小尺寸、形态可控和磨粒均布的微结构,本文提出了一种静电射流喷印微结构的新方法。通过精密注射泵将静电液供给到喷嘴处,在高压静电场作用下液面回流形成微细射流,碳化硅磨粒在微细射流束缚下重新排布,以此实现喷印出碳化硅磨粒均布、尺寸形态可控微结构的目的。本文仿真了耦合场中的锥射流过程并进行了射流喷印液滴、线条和微结构实验,主要研究内容包括以下几点:(1)分析了射流基本原理并仿真模拟了锥射流过程。对影响射流滴落模式、锥射流模式和多射流模式的因素进行了归纳总结,绘制了稳定性边界V-Q图。通过耦合电场和流场控制方程,计算出射流运动控制方程,利用COMSOL软件建立针-板电极三维仿真模型,对比研究无尖端和尖端偏移量为0.4 mm时针板电场强度分布情况。建立了锥射流二维耦合场仿真模型,研究不同喷印工艺参数下对锥射流喷印形态、电场强度、过程特性和流动轨迹的影响及锥射流尖端效应。(2)设计并搭建了静电射流喷印实验的四轴运动工作台并选择喷印材料。对仅含光固化树脂和吐温的静电液进行分析测试后,添加碳化硅磨粒后配制了稳定性较好的的静电悬浮液。解决了实际实验中出现的射流偏射和空气击穿等问题。对比泰森多边形法、分形理论盒维数法和网格计数法三种磨粒分布图像处理方法,采取变异系数网格法描述碳化硅磨粒分布均匀度。结合置信度、线宽均匀度和碳化硅磨粒沉积密度等指标来表征不同工艺参数对静电液喷印效果的影响。(3)对影响射流喷印效果的不同参数进行了工艺实验研究。设计了三因素四水平正交表进行静电液脉冲式液滴喷印试验,通过直观分析和方差分析研究出,蠕动泵注射速度是影响粒径大小的最主要因素;基于静电液连续式线条喷印实验,实验参数设置为针板距离3 mm,工作台移动速度20 mm/s,注射泵注射速度2 mm/h,针板电压3.0 k V时,可喷印出宽144μm的较细线条,线宽随注射速度减小而降低,与仿真中不同参数对射流束的影响规律一致,为线条逐层喷印出微结构确立了工艺参数范围;利用仿真中射流因尖端效应自对应喷印,使用含磨粒静电悬浮液喷印圆环微结构,研究结果表明,时间对磨粒分布均匀度影响不明显,针板电压较低时磨粒易出现聚集,适度增加转台移动速度,对磨粒分布均匀性及形貌尺寸改善效果明显,从而进一步掌握喷印规律,最终实现对大高宽比微结构磨具、尺寸形态可控环结构、微流道软模具及其他微结构等案例的喷印。
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