基于vof熔融金属液滴碰撞基板热特性分析

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1、基于VOF熔融金属液滴碰撞基板热特性分析（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，710300）摘要：在熔融沉积成型（FDM）工艺过程中，为保证金属熔滴之间能较好融合，本文以金属丝材为研究对象，通过加热使金属丝熔化形成熔滴。首先对熔滴变形过程进行了分析，采用两相流模型，结合建立好的熔滴沉积理论模型，通过数值计算分别模拟了单颗、两颗熔滴碰撞铺展、融合的过程。通过有限元分析得到可视化结果，分析了不同金属熔滴尺寸、温度和基板摩擦系数等参数对熔滴沉积的影响。分析计算结果表明熔滴铺展变形过程和温度场、速度场变化相吻合。.jyqkentanalysisofmetaldropletscollidinga

2、ndspreadingolding(FDM)process,itisensuredthatthemetalhasgoodfusionbetoltendrops,thispaperfirstanalysesthedropletdeformation,usingtodel,theVOFmethodisusedtotracethefreesurfaceofthemoltendropletsandcorrection,binedentarytheorymodelissetup,bynumericalcalculationrespectivelytosimulatethesinglestar,s

3、preadouttulationandanalysisofdifferentmetaldropletsize,temperatureandsubstrate,thecoefficientoffrictionetc.Theinfluenceofetersonthedropletdeposition.Analysisandcalculationresultsshoationprocessandthechangeoftemperaturefield,velocityfield.Keyethod;Thenumericalsimulation.1引言目前FDM这种工艺方法同样有多种材料可供选用，

4、接近90%的FDM原型都是由ABS这种半熔融态区间较大的材料制造[1-2]，但这并不能满足现时材料多元化的需求。由于金属处于半熔融态区间难以控制，使用金属进行成形的比较少。国内外使用金属进行熔融沉积主要原理是把金属熔化，放入坩埚内，通过内部加压，使金属通过坩埚下面的喷嘴流出形成熔滴，进行沉积，这种方法会造成材料的浪费，而且金属液会造成环境污染[3]。本文将采用焊锡丝为原材料，这样不仅可以提高材料利用率而且可以避免环境污染，通过加热使金属丝材熔化在焊锡板上进行沉积，这种方法目前属于一种新工艺，还没有人研究。本文主要从不同熔滴尺寸、基板摩擦系数等不同参数下，熔滴铺展、与基板融合温度场和速度

5、场的变化。2建模熔融沉积成型（FDM）的工作原理是：金属丝材通过送丝机构送入加热管，至喷嘴处被加热到熔融状态后，挤出形成熔滴，沉积在经过预热的基板上。挤出时，根据喷嘴的直径大小，挤出速度等参数设定可以确定零件精度，层间宽度等。在计算机的控制下，每扫描加工完一层，基板随工作台即下降一截面层的高度，如此反复逐层沉积，直到形成所要求的实体模型。本文主要讨论不同直径大小的熔滴的碰撞情况，充分考虑周围空气对熔滴的影响和熔滴能够传递给基板热量所传播范围大小，确定流体区域为500×25mm、固体区域为500×8mm的矩形，由于计算区域规整，其可离散为结构化的均匀网格。由于流体区域中的熔滴和空气都是流

6、体，他们的网格统一划分，二者的区分在FLUENT中通过设定不同的流体体积分数进行区别，计算区域各个边界条件设置如图1所示。在GAMBIT中划分好的网格文件导入FLUENT，经过一系列设置才能开始计算。2.1网格划分自由表面采用VOF两相流的方法处理，流体被认为是液相和气相的混合物。采用这种方法处理不同物质界面，可以在界面区域得到光滑的物性过渡，有利于提高数值求解的收敛性和稳定性。过渡区域的大小取决于计算域网格的密度，如图2所示，界面过渡区域随着网格密度的增加而减小，这里pr表示熔滴单位半径上的网格数。因此为了更加准确地模拟自由表面形态，需要适当提高网格密度[4]。模型的计算精度与网格的

7、质量和密度有密切关系。通常网格越密，质量越高，其计算精度就越高。但是密集的网格对计算硬件的要求较高，所需的计算时间也较长。因此，为了兼顾计算精度和计算效率，需要进行模型的网格依赖性测试。本论文以Sn60%Pb40%熔滴碰撞锡板为例进行研究，图3为不同网格密度下计算得到的液相分数随时间的变化，可以看出当网格密度大于10pr后，计算精度提高的幅度很小，因此后续的计算中必须保证其网格密度大于10pr，这里pr的意思是单位半径上的网格数目。3微滴沉积过