研究背景

金屬粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting，BJ）是增材制造領(lǐng)域的革命性技術(shù)，能夠以低成本、高效率生產(chǎn)復(fù)雜金屬零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械和汽車制造等領(lǐng)域。其核心原理是通過(guò)噴頭將粘結(jié)劑液滴精準(zhǔn)噴射到金屬粉末床中，逐層粘接粉末并最終燒結(jié)成型。然而，這一過(guò)程中，粘結(jié)劑在粉末床中的滲透行為直接決定了零件的致密度、表面精度和力學(xué)性能。

近期，河北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合海克斯康工業(yè)軟件技術(shù)團(tuán)隊(duì)在金屬BJ工藝的相關(guān)研究中取得突破。通過(guò)Cradle CFD構(gòu)建滲透模型，揭示了溫度對(duì)粘結(jié)劑滲透的雙重作用機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

盡管BJ技術(shù)前景廣闊，但其工藝優(yōu)化仍面臨兩大難題：  

? 滲透機(jī)理復(fù)雜：液滴的鋪展、滲透受慣性力、重力、粘性力等共同影響，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)；  

? 溫度敏感性高：粘結(jié)劑的粘度隨溫度變化顯著，導(dǎo)致工藝穩(wěn)定性難以把控。

粘結(jié)劑與粉末床的相互作用過(guò)程

? 差異化網(wǎng)格劃分：針對(duì)液滴、空氣域和粉末床區(qū)域分別優(yōu)化網(wǎng)格密度，既保證界面捕捉精度，又避免計(jì)算資源浪費(fèi)； 

? 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證：對(duì)比三種網(wǎng)格方案（節(jié)點(diǎn)數(shù)從165萬(wàn)到736萬(wàn)），最終選擇誤差的中等密度網(wǎng)格，兼顧效率與準(zhǔn)確性。  

網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性驗(yàn)證

通過(guò)Cradle CFD模擬不同溫度（20℃—40℃ ）下的單液滴與雙液滴滲透過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)揭示了溫度對(duì)粘結(jié)劑行為的雙重影響：  

? 縱向滲透增強(qiáng)：溫度升高導(dǎo)致粘結(jié)劑粘度下降，流動(dòng)阻力減小，液滴更易深入粉末床。

? 橫向鋪展受限：高溫下，毛細(xì)力主導(dǎo)液滴向孔隙內(nèi)部滲透，而非持續(xù)橫向擴(kuò)展。

不同溫度下粘結(jié)劑的鋪展形貌

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的打印實(shí)驗(yàn)。采用M400Pro金屬3D打印機(jī)，在不同溫度下打印15 mm×10 mm×8 mm的長(zhǎng)方體生坯。

不同溫度下打印生坯 

不同溫度下打印生坯各方向的平均尺寸

? 溫度20℃→40℃ ：樣件高度（滲透深度）從7.95mm增至8.05mm，長(zhǎng)度從15.02mm變化至14.95mm，寬度從10.02mm變化至9.96mm。 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差<5%，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的可靠性。

? 量化溫度影響：建立粘結(jié)劑粘度-溫度-滲透行為的數(shù)學(xué)模型，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)；  

? 工藝參數(shù)優(yōu)化：指導(dǎo)企業(yè)設(shè)定最佳溫度區(qū)間，平衡滲透深度與鋪展均勻性；  

? 復(fù)雜結(jié)構(gòu)打?。?/span>通過(guò)仿真預(yù)測(cè)液滴融合行為，避免層間粘結(jié)不足或過(guò)度滲透導(dǎo)致的缺陷；  

? 成本與效率提升：減少試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。  

金屬粘結(jié)劑噴射技術(shù)的成熟，離不開CFD仿真工具的賦能。Cradle CFD憑借其多物理場(chǎng)耦合能力、高精度界面捕捉技術(shù)和高效計(jì)算性能，正在成為增材制造領(lǐng)域的核心研究工具。  

這項(xiàng)研究不僅為金屬BJ工藝提供了科學(xué)指導(dǎo)，更彰顯了仿真技術(shù)從“輔助工具”向“決策引擎”的進(jìn)化。在智能制造的時(shí)代浪潮下，Cradle CFD或?qū)⒊蔀橥苿?dòng)工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)工具。

▼關(guān)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

機(jī)械工程學(xué)院前身是始建于1903年的北洋工藝學(xué)堂機(jī)器科，是創(chuàng)建最早的系所之一，1958年更名機(jī)械系，1998年更名為機(jī)械工程學(xué)院。學(xué)院擁有機(jī)械工程、力學(xué)、儀器科學(xué)與技術(shù)3個(gè)一級(jí)學(xué)科。機(jī)械工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程、車輛工程4個(gè)河北省重點(diǎn)學(xué)科。同時(shí)，學(xué)院建有機(jī)械工程、力學(xué)、儀器科學(xué)與技術(shù)3個(gè)一級(jí)學(xué)科碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)；機(jī)械工程、車輛工程、儀器儀表工程3個(gè)專業(yè)學(xué)位授權(quán)領(lǐng)域。機(jī)械工程學(xué)科為國(guó)家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科和河北省強(qiáng)勢(shì)特色學(xué)科，同時(shí)被確定為世界一流學(xué)科“裝備工程與技術(shù)”學(xué)科群建設(shè)主要依托學(xué)科。

研究團(tuán)隊(duì)：河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊偉東教授團(tuán)隊(duì)

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