麻省理工学院研究“自剥离”液滴原理,可用于理解和控制3D打印材料附着力

在LENS 3D打印技术中,金属粉末随着喷嘴被喷射出来,在激光的作用下瞬时间熔化,紧接着这些液态的金属液滴凝固在固体表面上。

麻省理工学院的研究人员已经找到了一种控制液滴撞击固体表面活动的方法,从而确定液滴是否会粘附,反弹或“自剥离”固体表面。研究液滴与固体表面的附着属性,麻省理工学院的这一新发现,可能对未来的3D打印技术和其他技术产生影响。

麻省理工学院的发现将帮助加工过程中调整加工表面的性质,有时候需要加工出非常光滑的表面,以减少机械部件的摩擦。或者通过调整表面热导率等方式,使得表面质量变得更加可控。这种研究金属液滴与固态表面的相互作用为可控表面提供了实现的途径。

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对于麻省理工学院的研究人员来说,精确控制表面性质的能力使得他们能够做出非常不寻常的事情:控制和影响液滴的行为。

凝固过程中的液滴倾向于在碰到固体表面时发生两种行为:粘附或反弹。而在某些工程应用中,包括3D打印工艺,理解与控制行为的结果是非常重要的。痛点在于,很难预测或控制液滴的流向。

麻省理工学院的研究人员尝试用另外一个角度来理解液滴的行为:研究人员研究那些固体表面的热性能,认为通过对这些固体表面的热性能“调谐”从而控制液滴的各种行为。

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图片:熔融的金属液滴在硅树脂和玻璃基材表面上的不同表现行为

根据麻省理工学院机械工程系副教授Kripa Varanasi,研究人员发现了很有趣的现象。研究对象是两种具有相似的润湿性质的基材,但具有不同的热性能。研究人员发现熔融的金属液滴“脱落”硅树脂基材,但是紧贴玻璃基材表面。由于玻璃是一种良好的绝热材料,这个实验使研究人员相信,可以通过调整冲击表面的热性能来控制液滴的附着力。

研究人员所指的热性能,不仅仅是温度情况。更多的是热效率因素,材料传递热量的速率对控制液滴的附着力起到了关键作用。

这就像我们坐在木板和石头上的感受是不一样的:即使木板和石头的温度相同,但我们会感觉坐在石头上更冷,这是因为具有较高热导效率的石材表面可以更快地将热量从我们身上吸走。

麻省理工学院研究人员的主要实验包括研究熔融金属液滴在各种表面时的行为。这是令人特别感兴趣的领域,因为涉及到金属喷涂的沉积行为,更好地理解和控制金属液滴的粘附力意味着更好的加工结果。

根据研究人员发表的研究论文,这些见解在热喷涂和增材制造以及极紫外光刻的过程中具有广泛的应用前景。

根据Varanasi教授,液滴形成斑块的方式决定了涂层本身的完整性。如果不完美,可能会对部件的性能产生巨大的影响,尤其是在诸如涡轮叶片这样的核心零部件的应用领域。

为了实际应用这项研究结果,研究人员设想了一个能够立即调整表面特性能够控制液滴发生粘附或反弹行为。根据研究人员的设想,通过电场或磁场可以实现实时调整热性能的场景,以使得液滴与固体基材的相互作用变得更加可控。

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