[发明专利]模拟微重力环境中金属液滴3D打印的物理系统及模拟方法

权利要求书

1.一种模拟微重力环境中金属液滴3D打印的物理系统，其特征在于包括金属液滴喷头(1)和安装在喷头上的喷嘴(2)、充电电极(3)、静电场产生电极正极(7)和负极(11)、三维沉积平台(9)、金属液滴沉积时铅直位置探测器(10)和金属液滴飞行初始铅直位置探测器(12)；静电场产生电极正极(7)施加静电场产生电压(6)，负极(11)接地，两个电极之间形成一静电场，静电场的两端分别设有金属液滴飞行初始铅直位置探测器(12)和金属液滴沉积时铅直位置探测器(10)；金属液滴喷头(1)和安装在喷头上的喷嘴(2)设于金属液滴飞行初始铅直位置探测器(12)前端，位于静电场产生电极正极(7)一侧，喷嘴(2)与静电场之间设有充电电极(3)，且紧临喷嘴(2)放置同时保证不接触；三维沉积平台(9)设于金属液滴沉积时铅直位置探测器(10)后端，且紧邻静电场区域末端；所述充电电极(3)上施加充电电压(4)；喷嘴(2)中轴向上倾斜，与充电电极(3)形成的电场中心水平轴形成一个角度，调整该角度使得金属微滴(5)通过充电电极(3)后初入静电场区域时运动方向呈现水平状态。

2.根据权利要求1所述模拟微重力环境中金属液滴3D打印的物理系统，其特征在于：所述静电场产生电极正极(7)和负极(11)之间的距离满足条件：

L＝U/E

E＝m(g-g’)/q

式中，L为静电场静电场产生电极正极(7)和负极(11)之间的距离，U为静电场产生电压(6)的值，E静电场的大小，m为金属液滴质量，g为地表重力加速度，g’为模拟的微重力加速度的大小，q为金属液滴的带电量。

3.根据权利要求1所述模拟微重力环境中金属液滴3D打印的物理系统，其特征在于：所述静电场产生电极正极(7)和负极(11)左端距离充电电极(3)右端之间的距离为(1-2)×10^-2D；式中，D为金属液滴的直径。

4.一种利用权利要求1所述模拟微重力环境中金属液滴3D打印的物理系统进行液滴的飞行过程物理模拟的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据金属微滴直径D选择喷嘴(2)的直径：

喷嘴(2)的直径d＝D+(2～3)×10^-2D

其中：金属微滴直径B₀＝1；

式中，ρ_l为液滴密度，σ为液滴表面张力，g为重力加速度，Bo为邦德数；

步骤2、根据佛劳德相似准则确定金属液滴的飞行速度v：

式中，v为液滴飞行速度，Fr为金属液滴的弗劳德数，用于表征金属液滴在一定重力条件下的运动特性；

步骤3：将选择好的喷嘴(2)安装到金属液滴喷头(1)上，通过控制喷头(1)的喷射参数，使得射出的金属液滴(5)的飞行速度v和金属微滴直径D满足

步骤4：为实现一定微重力条件下模拟，依据下述公式，计算出在一重力水平g’条件下，液滴飞行过水平距离Hs后在垂直方向上的沉积距离Vs：

m_dg+EQ_d＝m_dg

式中，m_d为液滴质量，ρ_m为环境介质密度，C_d为液滴阻尼系数，E为电场强度，Q_d为液滴带电电量；v_x液滴速度水平方向上的分量；v_z液滴速度铅直方向上的分量；i为x方向上的单位向量；k为z方向上的单位向量；Hs为液滴水平飞行过的距离；Vs为液滴铅直方向上降落的距离；

所述液滴带电电量通过充电电压(4)进行控制；

步骤5：控制静电场产生电压(6)，以模拟液滴受微重力Fm作用下的飞行轨迹T2，通过比较飞行轨迹初始位置探测器(12)，和沉积位置时的探测器(10)中检测到的液滴入射和出射位置，以检测金属液滴在竖直方向上偏离水平的距离与理论计算值Vs相同，从而实现微重力水平g’下液滴的飞行过程物理模拟轨迹T2。