液态金属挤出过程中的膨胀效应

由于气体的可压缩性以及液态金属的黏弹特性，液态金属在流动挤出过程中会与喷头壁面以及金属材料分子产生摩擦阻力，沿流动方向形成速度梯度。因此，当金属材料由直径较大的料筒进入直径突然收缩的喷头过渡段时，流场剧烈收缩导致液态金属受到高度的拉伸、变形和剪切作用，产生非均匀流动，并在流道直径收缩段的拐角处产生局部的区域性环流［49，50］，形成流动死角，使液态金属长时间滞留在拐角处，容易导致液态金属的氧化、黏稠。

进入喷嘴内的液态金属材料由于先前受到拉伸、变形作用，存储了大量的弹性势能；同时，由于喷嘴直径尺度为微米级别，液态金属材料的流动处于一种高剪切力场环境，金属分子在喷嘴内沿流动方向重新取向［51］。在喷嘴内经过一段时间的流动后，液态金属得到充分发展，形成比较稳定的流动形态，随后离开喷嘴，挤出成型。离开喷头的液态金属失去边界约束，同时由于低熔点合金材料的固液共存特性，导致材料在流动过程中形成的速度梯度开始重新分布，挤出的金属材料界面的运动速度最终达到一致而促使材料产生横向位移；在微孔挤出过程中发生拉伸与取向的液态金属分子链失去喷嘴壁面的边界约束，开始解除取向并释放部分弹性能［52］。最终，出现挤出成型的金属纤维截面尺寸比喷嘴截面尺寸大的现象，即挤出胀大现象，又称Barus效应。

考虑液态金属的挤出胀大现象对液态金属材料3D打印成型尺寸精度的影响［45］，将液态金属的挤出胀大率作为成型误差引入支架数字化模型的设计阶段，适当调整层高参数，可防止过低的层高导致喷头挤压沉积的液态金属而使得已成型的金属纤维出现鼓包（图4.24）。此外，还可通过预防过高的层高设置，削弱挤出的液态金属出现液滴滴落的现象。

(www.xing528.com)

图4.24　液态金属的挤出膨胀效应［45］

a.正常打印环；b.含瑕疵的打印环。

通过分析液态金属3D打印成型过程中的挤出胀大效应，平衡打印成型过程中液态金属材料的可加工特性与成型后的三维结构精度要求，可以为确定最佳的工艺参数提供依据。