面向载人航天用均匀微滴按需喷射金属增材制造技术基础研究

Aiming to solve the problem of lacking the metal additive manufacturing technology for the manned space flight in the microgravity space environment, this project proposes a novel method to print aluminum parts by using the drop-on-demand (DoD) technique. To this end, small Bo number aluminum droplets, acted by an antigravity electrostatic force, are printed to simulate the additive manufacturing of aluminum parts in microgravity space environment. The mechanism of the aluminum drop ejection, driven by stress wave pulses, is studied for achieving the ejection of aluminum droplets with the diameter at 100 μm-scale in space. Then, the rolling behavior of metal droplets on a curved guide is investigated to control the trajectories of printed metal droplets by using a curved guide. After that, the heat and mass exchange behaviors of metal droplets during the successive deposition are researched to understand the mutual effect of the metal droplet printing parameters. Based on above studies, a prototype system with the simulated microgravity environment is developed for microdroplet printing. The suitable process windows are found out for obtaining high accuracy of size, shape, and good inner bonding of printed metal parts. This research provides theoretical foundations and a prototype system for developing the metal additive manufacturing technology in the Chinese space station and other space exploration missions.

本项目针对目前难以实现载人航天活动中太空微重力金属材料增材制造的现存问题，提出利用均匀微滴按需喷射进行微重力环境中金属材料增材制造的新思路，通过控制反重力静电力作用下小邦德数铝微滴的逐点打印，以模拟微重力环境中铝制件的增材制造。拟研究应力波驱动金属微滴喷射机理，突破微重力环境用均匀铝微滴高速喷射关键技术；探索金属微滴滚动轨道导向流体力学行为，开发铝微滴打印轨迹精准控制技术；研究微滴连续沉积过程传质传热行为，揭示金属微滴打印过程流场、温度场、应力场等多物理场耦合作用机制。在此基础上，研发具有反重力静电场装置的金属材料增材制造原理样机，并掌握微重力条件下微滴喷射温度、频率、打印步距等参数的匹配规律，最终实现微重力环境下成形件形状、尺寸及内部冶金结合质量的有效控制之目的，为我国未来空间站科研及星际探索活动用金属材料增材制造技术的开发和应用奠定理论基础。

本项目针对太空微重力用均匀铝微滴3D打印基础理论和关键技术开展研究，通过改进陶瓷杆隔热传振应力波加载方法，实现了均匀铝、锡微滴竖直和水平可控喷射，喷嘴铝微滴最小直径约为245μm，邦德数约0.0002，为地面模拟微重力环境零件打印提供核心技术；研发出高温轨道导向沉积装置，建立了液滴沿弧形轨道稳定运动的Kelvin-Voigt模型，明确了金属微滴沿弧形轨道表面稳定运动的机理和参数范围，实现了液滴多角度沉积（倾斜角可达180 oC）；同时结合研发的铝微滴水平喷射装置和高压静电装置，构建起了模拟微重力环境微滴打印系统，并利用垂直静电力对抗重力，实现了飞行金属微滴水平沉积，为地面模拟微重力微滴打印提供全新方法；建立起不同重力下均匀微滴按需喷射与沉积数值模型，揭示了均匀微滴沉积过程中重力影响机制；在自主研发的试验装置上，成功实现了微柱阵列、方管、薄壁件等铝合金件的水平可控打印，成功验证了均匀金属微滴打印过程受重力影响较小这一突出特点，为后期太空微重力环境打印提供理论和装置。. 上述研究在理论上，建立的用于描述不同重力环境中微滴喷射、导向运动以及沉积过程的解析和数值模型，可用于系统分析重力对上述过程的影响机制、预测微重力环境中金属微滴打印过程相关行为，在硬件上，创新研发的应力波驱动竖直和水平按需喷射两套铝合金微滴喷射装置、轨道导向试验装置、高压静电场重力平衡装置，共同组成了地基微重力环境沉积成形过程模拟硬件装置，可实现小邦德数微滴可控喷射，多角度金属微滴导向沉积以及可控打印，研究发现小邦德数微滴沉积过程重力影响不明显，表明本项目所提方法在微重力环境的适用性和显著优势，上述研究为未来我国微重力环境轻质零件原位增材技术研发及其地基模拟方法建立提供坚实的理论基础和关键技术，具有重要的科学意义。