研究背景
金属粘结剂喷射（Binder Jetting，BJ）是增材制造领域的革命性技术，能够以低成本、高效率生产复杂金属零件，广泛应用于航空航天、医疗器械和汽车制造等领域。其核心原理是通过喷头将粘结剂液滴精准喷射到金属粉末床中，逐层粘接粉末并最终烧结成型。然而，这一过程中，粘结剂在粉末床中的渗透行为直接决定了零件的致密度、表面精度和力学性能。
近期，河北工业大学联合海克斯康工业软件技术团队在金属BJ工艺的相关研究中取得突破。通过Cradle CFD构建渗透模型，揭示了温度对粘结剂渗透的双重作用机制，并通过实验验证了仿真结果的可靠性。
设计挑战尽管BJ技术前景广阔，但其工艺优化仍面临两大难题：
► 渗透机理复杂：液滴的铺展、渗透受惯性力、重力、粘性力等共同影响，难以通过实验直接观测；
► 温度敏感性高：粘结剂的粘度随温度变化显著，导致工艺稳定性难以把控。
粘结剂与粉末床的相互作用过程
设计案例技术亮点✔ 差异化网格划分：针对液滴、空气域和粉末床区域分别优化网格密度，既保证界面捕捉精度，又避免计算资源浪费；
✔ 网格独立性验证：对比三种网格方案（节点数从165万到736万），最终选择误差的中等密度网格，兼顾效率与准确性。
网络独立性验证
仿真结果：温度如何改写渗透规则？通过Cradle CFD模拟不同温度（20℃—40℃ ）下的单液滴与双液滴渗透过程，研究团队揭示了温度对粘结剂行为的双重影响：
✔ 纵向渗透增强：温度升高导致粘结剂粘度下降，流动阻力减小，液滴更易深入粉末床。
✔ 横向铺展受限：高温下，毛细力主导液滴向孔隙内部渗透，而非持续横向扩展。
不同温度下粘结剂的铺展形貌
实验验证：从虚拟到现实的闭环验证为验证仿真结果，团队设计了系统的打印实验。采用M400Pro金属3D打印机，在不同温度下打印15 mm×10 mm×8 mm的长方体生坯。
不同温度下打印生坯
不同温度下打印生坯各方向的平均尺寸
✔ 温度20℃→40℃ ：样件高度（渗透深度）从7.95mm增至8.05mm，长度从15.02mm变化至14.95mm，宽度从10.02mm变化至9.96mm。 仿真结果与实验数据偏差<5%，验证了仿真计算的可靠性。
案例总结应用突破✔ 量化温度影响：建立粘结剂粘度-温度-渗透行为的数学模型，为工艺参数优化提供理论依据；
✔ 工艺参数优化：指导企业设定最佳温度区间，平衡渗透深度与铺展均匀性；
✔ 复杂结构打印：通过仿真预测液滴融合行为，避免层间粘结不足或过度渗透导致的缺陷；
✔ 成本与效率提升：减少试错实验次数，缩短新产品开发周期。
未来展望
金属粘结剂喷射技术的成熟，离不开CFD仿真工具的赋能。Cradle CFD凭借其多物理场耦合能力、高精度界面捕捉技术和高效计算性能，正在成为增材制造领域的核心研究工具。
这项研究不仅为金属BJ工艺提供了科学指导，更彰显了仿真技术从“辅助工具”向“决策引擎”的进化。在智能制造的时代浪潮下，Cradle CFD或将成为推动工业数字化转型的关键技术工具。
▼关于河北工业大学机械工程学院
机械工程学院前身是始建于1903年的北洋工艺学堂机器科，是创建最早的系所之一，1958年更名机械系，1998年更名为机械工程学院。学院拥有机械工程、力学、仪器科学与技术3个一级学科。机械工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程4个河北省重点学科。同时，学院建有机械工程、力学、仪器科学与技术3个一级学科硕士学位授权点；机械工程、车辆工程、仪器仪表工程3个专业学位授权领域。机械工程学科为国家“211工程”重点建设学科和河北省强势特色学科，同时被确定为世界一流学科“装备工程与技术”学科群建设主要依托学科。
研究团队：河北工业大学机械工程学院杨伟东教授团队
技术支持：海克斯康工业软件Cradle CFD团队
来源：海克斯康
