研究背景

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

近期，河北工業大學聯合海克斯康工業軟件技術團隊在金屬BJ工藝的相關研究中取得突破。通過Cradle CFD構建滲透模型，揭示了溫度對粘結劑滲透的雙重作用機制，并通過實驗驗證了仿真結果的可靠性。

設計挑戰

盡管BJ技術前景廣闊，但其工藝優化仍面臨兩大難題： 

? 滲透機理復雜：液滴的鋪展、滲透受慣性力、重力、粘性力等共同影響，難以通過實驗直接觀測； 

? 溫度敏感性高：粘結劑的粘度隨溫度變化顯著，導致工藝穩定性難以把控。

粘結劑與粉末床的相互作用過程

設計案例

技術亮點

? 差異化網格劃分：針對液滴、空氣域和粉末床區域分別優化網格密度，既保證界面捕捉精度，又避免計算資源浪費； 

? 網格獨立性驗證：對比三種網格方案（節點數從165萬到736萬），最終選擇誤差的中等密度網格，兼顧效率與準確性。 

網絡獨立性驗證

仿真結果：溫度如何改寫滲透規則？

通過Cradle CFD模擬不同溫度（20℃—40℃ ）下的單液滴與雙液滴滲透過程，研究團隊揭示了溫度對粘結劑行為的雙重影響： 

? 縱向滲透增強：溫度升高導致粘結劑粘度下降，流動阻力減小，液滴更易深入粉末床。

? 橫向鋪展受限：高溫下，毛細力主導液滴向孔隙內部滲透，而非持續橫向擴展。

不同溫度下粘結劑的鋪展形貌

實驗驗證：從虛擬到現實的閉環驗證

為驗證仿真結果，團隊設計了系統的打印實驗。采用M400Pro金屬3D打印機，在不同溫度下打印15 mm×10 mm×8 mm的長方體生坯。

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，長度從15.02mm變化至14.95mm，寬度從10.02mm變化至9.96mm。 仿真結果與實驗數據偏差<5%，驗證了仿真計算的可靠性。

案例總結

應用突破

? 量化溫度影響：建立粘結劑粘度-溫度-滲透行為的數學模型，為工藝參數優化提供理論依據； 

? 工藝參數優化：指導企業設定最佳溫度區間，平衡滲透深度與鋪展均勻性； 

? 復雜結構打印：通過仿真預測液滴融合行為，避免層間粘結不足或過度滲透導致的缺陷； 

? 成本與效率提升：減少試錯實驗次數，縮短新產品開發周期。 

未來展望

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

這項研究不僅為金屬BJ工藝提供了科學指導，更彰顯了仿真技術從“輔助工具”向“決策引擎”的進化。在智能制造的時代浪潮下，Cradle CFD或將成為推動工業數字化轉型的關鍵技術工具。

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關于河北工業大學機械工程學院

機械工程學院前身是始建于1903年的北洋工藝學堂機器科，是創建最早的系所之一，1958年更名機械系，1998年更名為機械工程學院。學院擁有機械工程、力學、儀器科學與技術3個一級學科。機械工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程4個河北省重點學科。同時，學院建有機械工程、力學、儀器科學與技術3個一級學科碩士學位授權點；機械工程、車輛工程、儀器儀表工程3個專業學位授權領域。機械工程學科為國家“211工程”重點建設學科和河北省強勢特色學科，同時被確定為世界一流學科“裝備工程與技術”學科群建設主要依托學科。

研究團隊：河北工業大學機械工程學院楊偉東教授團隊

技術支持：海克斯康工業軟件Cradle CFD團隊