本发明属于太空在轨增材制造领域，涉及一种模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统及打印方法。
背景技术：
开发太空金属材料增材制造(3d打印)技术，实现太空空间站及载人航天飞行器中工具及零件的现场快速制造及材料循环利用，最大限度地减小航天探索中对地面补给的依靠，是未来长期载人航天探索任务的一个关键所在。空间站及载人航天器所用金属零件，如连杆、支架、工具等结构件，空间站循环泵用微型铝合金叶轮，以及为满足散热和屏蔽等功能的铝合金电子封装件等，在长期使用和运转中不可避免地会发生损坏，是载人航天飞行日常更换和维维护的主要对象，需要现场制造和维修。因此，开发不依赖地面补给、可循环使用打印材料的太空微重力铝合金增材制造技术，具有重要的探索和应用价值。
文献“apparatusandmethodforgeneratingdroplets,chandrasanjeev,jivrajrahim.unitedstatespatent:us6446878,2002”提出一种均匀金属液滴喷射的增材制造技术。该技术直接在坩埚中将金属原材料熔化，并在熔融金属液体内部施加脉冲振动，迫使微量金属熔液摆脱表面张力的束缚，从喷嘴中喷出，形成尺寸均匀且微小的金属熔滴，控制此类微熔滴逐点、逐线、逐层沉积，从而快速成形出金属零件。由于该技术具有无需大功率设备、可回收利用打印材料、无废弃物等特点，可同时满足微重力增材制造对成形精度和原材料重复利用的要求，十分适合太空载人环境金属零件的3d打印。
现有金属液滴打印技术常用于常规重力环境下，此过程中金属微滴受重力影响，微重力环境中金属液滴打印行为(包括喷射、飞行及沉积行为)还有待揭示。人造微重力环境(如空间站、载人飞船等)试验(乃至落塔、深空火箭以及抛物飞行等模拟微重力试验)昂贵且实现时间较短，不适合进行长期的微滴3d打印技术前期研究；现有地面悬浮技术，如超声悬浮、静电悬浮、气悬浮、电磁悬浮等，是通过对物体施加一表面力和体积力，以平衡其重力从而实现物体在某一位置的悬浮。但金属微滴在打印过程中，微滴在喷射、飞行以及其沉积时，其位置不断变化，因此需要在地面开发能够物理模拟金属液滴在微重力环境下的方法，以便深入、全面地研究微重力环境下液滴打印过程的行为规律。
技术实现要素：
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统及打印方法，能够在地表环境模拟太空微重力环境中金属液滴沉积成形过程。
技术方案
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。
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。
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
一种利用所述模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统进行微重力环境中3d打印的方法，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
式中，ρl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喷的喷射参数，使得射出的金属液滴5的飞行速度v和直径金属微滴直径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：
mdg+eqd＝mdg′
式中，md为液滴质量，ρm为环境介质密度，cd为液滴阻尼系数，e为电场强度，qd为液滴带电电量；vx液滴速度水平方向上的分量；vz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。
用电场力部分或全部抵消重力，通过金属液滴的运动的轨迹判断构建的微重力水平，实现微重力环境中金属液滴运动轨迹的模拟。
通过控制金属液滴的邦德数(bo),实现微重力环境中金属液滴的喷射模拟。
通过匹配金属液滴的弗劳德数(fr),实现微重力环境中金属液滴的沉积模拟。
有益效果
本发明提出的一种模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统及打印方法，静电场产生电极正极施加静电场产生电压，两个电极之间形成一静电场；金属液喷嘴位于静电场产生电极正极一侧，三维沉积平台于静电场区域末端；金属微滴通过充电电极后初入静电场区域时运动方向呈现水平状态，在地面环境下通过小邦德数金属液滴的喷射、加速飞行(fr数的匹配)与沉积、反重力静电场加载以实现不同微重力条件下的微滴喷射、飞行、沉积成形过程微重力条件按物理模拟，为微重力环境下金属液滴3d打印技术前期技术开发和后期成形工艺地面验证提供有效手段。
本发明用电场力部分或全部抵消重力，通过金属液滴的运动的轨迹判断构建的微重力水平，实现微重力环境中金属液滴运动轨迹的模拟。通过控制金属液滴的邦德数(bo),实现微重力环境中金属液滴的喷射模拟。通过匹配金属液滴的弗劳德数(fr),实现微重力环境中金属液滴的沉积模拟。
附图说明
图1：本发明模拟微重力环境中金属液滴3d打印的物理系统示意图及金属液滴打印过程微重力仿真示意图
图2：金属液滴受力图
图中，1.金属液滴喷头，2.喷嘴，3.充电电极，4.充电电压，5.金属液滴，6.静电场产生电压，7.静电场产生电极正极，8.沉积的制件，9.三维沉积平台，10.金属液滴沉积时铅直位置探测器，11.静电场产生电极负极，12.金属液滴飞行初始铅直位置探测器，t1.重力平衡时的飞行轨迹，t2.微重力时液滴飞行轨迹，vs.液滴铅直方向下落距离；hs.液滴水平飞行距离，fe.金属液滴所受静电力，fm.模拟的液滴微重力，g.金属液滴重力。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
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。
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。
方法实施例1：无重力环境，即微重力水平为0g(g为地球表面的重力加速度)环境下，金属液滴沉积过程模拟。
参照附图1、2，选择喷嘴2直径为50μm，喷射材料为航天铝合金(6061)。此条件下产生的金属液滴直径也接近50μm，计算得到金属液滴邦德数为0.0013，即液滴喷射及沉积碰撞过程重力对流场影响较小。
计算液滴的弗劳德数，当重力减小为10-3g～10-5g，由弗劳德数的定义可知当金属液滴的直径不变时，只需将金属微滴的飞行速度加速至空间飞行速度的31～316倍，即可将地表的弗劳德数的匹配为空间弗劳德数的大小，以模拟空间微重力金属微滴的沉积过程。
将金属材料加入到金属液滴水平喷头1内，将金属材料加热融化，通过水平喷头产生直径为接近200μm的金属液滴5。水平飞行的金属液滴5经过充电系统过后带上皮库量级的负电荷。增加金属微滴的飞行速度，使得地表金属微滴的弗劳德数与空间液滴的弗劳德数相等。然后通过金属液滴飞行铅直位置探测器12，然后在静电场中继续飞行，紧接着通过金属液滴沉积时铅直位置探测器10，并检测到金属液滴在铅直方向上的偏移距离vs。
通过调整静电极两端电压6，以调整金属液滴所受静电力fe，直至金属液滴的偏移距离vs等于0，以完成零微重力环境的模拟。此后，通过调节三维运动平台9以调整沉积距离，对不同沉积距离条件下的试样进行打印，以实现零重力水平下，不同沉积距离的打印过程模拟。
方法实施例2：不同微重力条件下(微重力水平kg，k为微重力比例系数)液滴打印过程模拟。
参照附图1、2，选择喷嘴2直径为200μm，将航天铝合金(6061)加入到金属液滴水平喷头1内，将金属材料加热融化，通过水平喷头的作用产生直径为200μm的水平飞行的金属液滴5。水平飞行的金属液滴5充电后，增加金属微滴的飞行速度，使得地表金属微滴的弗劳德数与空间液滴的弗劳德数相等。通过金属液滴飞行初始铅直位置探测器12，然后在静电场中继续飞行，最后通过金属液滴沉积时铅直位置探测器10，并检测到金属液滴在铅直方向上的偏移距离。
计算在目标微重力水平kg下，飞行一定距离hs后液滴在铅直方向上的理论偏移距离vs。
通过调整静电极两端电压6，以调整金属液滴所受静电力fe，直至金属液滴水平飞行距离hs后其偏移距离与理论计算偏移距离hs相同，从而建立重力加速度为kg的微重力环境。此后，通过调节三维运动平台9以调整沉积距离，对不同沉积距离条件下的试样进行打印，以实现微重力水平kg下均匀金属微滴打印过程的模拟。