美國(guó)東北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)深耕含顆粒水滴流體動(dòng)力學(xué)，為3D打印精度提升尋突破

2025年9月，南極熊獲悉，來(lái)自美國(guó)東北大學(xué)（Northeastern University）機(jī)械與工業(yè)工程的教授 Xiaoyu Tang 正于校內(nèi)多相傳輸研究實(shí)驗(yàn)室（Multiphase Transport Research Lab）推動(dòng)噴墨打印領(lǐng)域的創(chuàng)新。作為首席研究員，Xiaoyu Tang 帶領(lǐng)一支研究團(tuán)隊(duì)，專注于探索 “處于液態(tài)與固態(tài)交界狀態(tài)的材料”，這類材料與打印機(jī)內(nèi)部核心技術(shù)直接相關(guān)，是優(yōu)化打印性能的關(guān)鍵研究方向。?



研究目標(biāo)
該研究的推進(jìn)，很大程度上得益于 Xiaoyu Tang 團(tuán)隊(duì)近期獲得的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)生涯獎(jiǎng)（NSF Career Award）資助。借助這筆資金，Xiaoyu Tang 及其團(tuán)隊(duì)即將啟動(dòng)一項(xiàng)關(guān)鍵工作：開(kāi)發(fā)一套新研究框架，以更深入地理解 “含顆粒水滴落入液體時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制”。?

這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是為工程師提供理論支撐，幫助他們?cè)O(shè)計(jì)出更穩(wěn)定、更優(yōu)化的墨水工藝，以及更耐用的打印硬件，從技術(shù)源頭解決當(dāng)前打印領(lǐng)域的性能瓶頸。
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研究方法

1. 高精度實(shí)驗(yàn)手段?
研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)將使用高速相機(jī)，其每秒可捕捉 10000 張圖像。Xiaoyu Tang 解釋，如此高的拍攝速度必不可少：“水滴撞擊液體的過(guò)程僅持續(xù)不到 100 毫秒（百分之一秒）”，只有高速攝像才能完整記錄這一瞬時(shí)現(xiàn)象。?

2. 核心分析維度?
在分析拍攝的圖像與視頻時(shí)，團(tuán)隊(duì)會(huì)重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵因素：水滴撞擊瞬間的形態(tài)變化、水滴內(nèi)部顆粒的分布情況，以及水滴的速度場(chǎng)（即不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng)速度）。
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3. 研究的創(chuàng)新突破點(diǎn)?
Xiaoyu Tang 指出，目前已有大量成熟研究揭示了 “純水滴滴入大量液體時(shí)的物理機(jī)制”，但本次研究的創(chuàng)新之處在于，團(tuán)隊(duì)將探索 “當(dāng)水滴中添加玉米淀粉、二氧化硅等顆粒后，這些物理機(jī)制會(huì)發(fā)生怎樣的改變”。?


?Xiaoyu Tang 與機(jī)械工程專業(yè)四年級(jí)學(xué)生 Boqian Yan 共同開(kāi)展液滴研究。

關(guān)聯(lián)科學(xué)現(xiàn)象
“向液體中添加大量顆粒會(huì)讓情況變得復(fù)雜，因?yàn)橐后w的粘度不再穩(wěn)定，混合物甚至可能‘凝固’成類似固體的狀態(tài)，尤其是在水滴撞擊的過(guò)程中?！盭iaoyu Tang 舉例說(shuō)明這種復(fù)雜性，“一個(gè)典型例子就是‘歐不裂效應(yīng)’（Oobleck effect）：人可以在摻有玉米淀粉顆粒的水池上奔跑，但如果站著不動(dòng)就會(huì)沉下去?！?這一現(xiàn)象正是團(tuán)隊(duì)研究的核心挑戰(zhàn)之一，顆粒改變了液體的物理特性，使得水滴撞擊時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)行為更難預(yù)測(cè)，也更具研究?jī)r(jià)值。



與 3D 打印的直接關(guān)聯(lián)
這項(xiàng)研究與 3D 打印技術(shù)有著緊密的實(shí)際關(guān)聯(lián)，Xiaoyu Tang 團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)研究，深入理解 “不同材料在更接近液態(tài)時(shí)的相互作用規(guī)律”，而這正是 3D 打印的關(guān)鍵技術(shù)痛點(diǎn)。?

Xiaoyu Tang 解釋：“3D 打印的原理本質(zhì)上是將液態(tài)材料以液滴形式沉積到基底上，固化后再層層疊加，最終形成立體結(jié)構(gòu)。但實(shí)際打印中常出現(xiàn)問(wèn)題：“有時(shí)前一層液滴未完全固化，仍處于液態(tài)，當(dāng)下一層液滴與之接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生不可控的變形。液滴與未固化層之間可能發(fā)生多種復(fù)雜反應(yīng)，這些反應(yīng)正是影響打印精度的重要因素?！?

團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)很明確：通過(guò)厘清這些相互作用的規(guī)律，幫助 3D 打印機(jī)制造商 “更好地控制液滴與基底（及未固化層）的相互作用”，最終提升 3D 打印的精度。
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研究意義
為推進(jìn)這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃整合多種先進(jìn)診斷技術(shù)，構(gòu)建一套綜合實(shí)驗(yàn)體系。更重要的是，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃開(kāi)發(fā)一個(gè)研究平臺(tái) —— 未來(lái)其他領(lǐng)域的研究者（包括太空領(lǐng)域的科研人員）可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，為更廣泛的流體動(dòng)力學(xué)與材料交互研究提供支撐。?

總體而言，Xiaoyu Tang 團(tuán)隊(duì)的研究不僅聚焦于噴墨打印與 3D 打印的技術(shù)優(yōu)化，更從基礎(chǔ)流體力學(xué)角度探索含顆粒多相體系的規(guī)律，兼具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與科學(xué)研究意義。