LLNL工程師開發(fā)出液態(tài)金屬噴射原位監(jiān)測工具，用以保證零件成型質(zhì)量

2021年11月3日，南極熊獲悉，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的工程師們已經(jīng)開發(fā)出了一種優(yōu)化的液態(tài)金屬噴射（LMJ）生產(chǎn)零部件的新3D打印方法，他們可以實現(xiàn)對液滴噴射時的實時監(jiān)控。

LLNL團隊沒有采用慣用的基于高速攝像的高成本方法，而是設(shè)計了一種將近場檢測與模擬相結(jié)合的方法，在分析噴射材料時只關(guān)注一個參數(shù)。研究人員說，利用他們的方法，有可能在調(diào)整打印機的設(shè)置來校正零件質(zhì)量之前，實時確定噴嘴問題的原因。

該研究的主要作者Tammy Chang說："我們的結(jié)果表明，用毫米波檢測方法可以對LMJ進行原位監(jiān)測。這令人振奮，因為它意味著我們可以取代之前昂貴的高速、高分辨率的光學(xué)分辨儀器，實現(xiàn)實時性能評估和反饋控制，以確保高質(zhì)量的金屬打印零件。"

實時分辨LMJ問題

液態(tài)金屬噴射是一種新的3D打印方法，它是通過微小的金屬液滴從一個噴嘴高速發(fā)射，由點形成線，由線形成層面，進而可以建立成均勻的零件，方法類似于噴墨打印機。然而，與基于激光的系統(tǒng)相比，LMJ機器不需要使用危險的金屬粉末，因此它們有可能提供一種更安全的手段來達到相同的目的。

隨著噴射技術(shù)不斷被開發(fā)出新的應(yīng)用，其性能也受到了更多的正視。事實證明，在某些應(yīng)用中，確定最佳參數(shù)集是很困難的。這主要是由于噴射材料會受到多種因素的影響，從液滴大小和噴射時間，到速度、流速和溫度等。

雖然高速攝像經(jīng)常被用來分析LMJ的運行情況，但這種方法只能真正用于幾秒鐘，因為由于處理的限制，大量的數(shù)據(jù)需要幾天的時間來篩選。為了使實時分析更加合理，LLNL團隊因此開發(fā)了一種可擴展的方法，它更多地依賴于模擬，而不是捕獲數(shù)千兆字節(jié)的信息。

△LLNL團隊的實驗性材料噴射監(jiān)測裝置。圖片來自《應(yīng)用物理學(xué)雜志》。

△模擬的開放式波導(dǎo)結(jié)果。所有尺寸的單位是毫米。(a) 矩形波導(dǎo)孔的尺寸，金屬液滴的直徑為d，高度為zD¼0，距離波導(dǎo)邊緣的距離為s。wW¼ 7:11, wL ¼ 3:56, c ¼ 3:46, t ¼ 3:81, h ¼ 14:26.高度zD ¼0，距離波導(dǎo)邊緣的距離s。(b) 開放式波導(dǎo)的瞬時電場大小。開放式波導(dǎo)的瞬時電場大小。(c)當(dāng)直徑為800微米的液滴位于s ¼7, z ¼ 0時的瞬時電場。 (d)和(e)回波損耗大小和相位作為不同液滴高度的函數(shù)。與波導(dǎo)不同距離s時，液滴高度的函數(shù)。(f)和(g)在不同的液滴直徑下，回波損耗的大小和相位是液滴高度的函數(shù)。

△用已知直徑的金屬球體進行的控制性實驗。(a) 實驗裝置。(b)-(d)不同液滴間距下測量S11的時域結(jié)果 的時域結(jié)果。液滴直徑：1.98毫米。(e) 三個球體直徑（0.79, 1.98,和2.38 mm）的S11的相對變化

可用于工廠級生產(chǎn)的的LMJ監(jiān)測工具

工程師們改進后的監(jiān)測方法主要是在生產(chǎn)過程中把一個開口的波導(dǎo)垂直于打印機，這樣任何噴射的液滴就會通過其孔徑的電磁場。通過這樣做，就有可能在現(xiàn)場捕捉到金屬液滴的動態(tài)，這種方式需要收集的數(shù)據(jù)遠遠少于單獨使用視頻分析時所需的數(shù)據(jù)。

為了將他們的方法付諸實踐，LLNL團隊將一個鋁制波導(dǎo)插入到LMJ 3D打印機的構(gòu)建室中，并在系統(tǒng)的兩邊設(shè)置了攝像頭來捕捉結(jié)果。有趣的是，通過一次關(guān)注一個參數(shù)，研究人員能夠積累足夠的數(shù)據(jù)，通過電磁模擬獲得對液滴行為的微觀級分辨力。

例如，在噴射過程中，研究小組能夠非侵入性地確定液滴的間距和直徑對打印層特性的精確影響。通過進一步評估他們的數(shù)據(jù)，工程師們還能夠找到他們實驗中出現(xiàn)的打印噴嘴堵塞的原因，因為當(dāng)它發(fā)生時，在捕獲的波長中有一個可觀察的變化。

事實證明，噴嘴表面積聚了一種張力，阻礙了材料的發(fā)射，并導(dǎo)致液滴粘在原地，直到打印機的下一個脈沖將其彈出。因此，研究人員認為，如果在工廠環(huán)境中部署，他們的方法可用于實時確定沉積液滴的質(zhì)量，使制造商能夠最大限度地減少打印故障。

研究報告的合著者Andy Pascall總結(jié)說："獲得一個干凈的、直接落下的單滴噴射是實現(xiàn)良好打印質(zhì)量的關(guān)鍵。高速攝像在我們測試新的打印參數(shù)的實驗室規(guī)模的環(huán)境中效果很好，但在生產(chǎn)中永遠不會發(fā)揮作用，而這種類型的分辨方式將在生產(chǎn)條件下非常適用。"

雖然LLNL的分辨工具目前能夠檢測到大小為400-500𝜇m的液滴。另外，使用其他信號處理方法，甚至有可能把它變成一個閉環(huán)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)可用于即時調(diào)整打印參數(shù)。

△一盤經(jīng)過后處理的XJet 3D打印部件，材料噴射的部件繼續(xù)找到新的最終用途。照片來自XJet。

AM的材料噴射技術(shù)

像許多先進的生產(chǎn)工藝一樣，材料噴射3D打印是不斷研發(fā)的主題，工程師們正試圖開發(fā)其大規(guī)模制造能力。話雖如此，如果認為噴射技術(shù)還沒有找到終端應(yīng)用，那就大錯特錯了，因為整個行業(yè)的幾家公司現(xiàn)在銷售的技術(shù)可以合理地稱為材料噴射。

例如，Stratasys公司繼續(xù)在其Polyjet技術(shù)方面取得重大進展，并選擇在今年早些時候推出臺式J35 Pro。這款系統(tǒng)的推出旨在使那些在辦公室工作的人也能夠使用他們公司的材料噴射工藝，據(jù)說它是消費品和電子產(chǎn)品以及學(xué)術(shù)應(yīng)用的理想原型。

此外，惠普則開發(fā)了另一種眾所周知的材料噴射技術(shù)——Multi Jet Fusion（MJF），該技術(shù)已被世界各地的3D打印供應(yīng)商采用。更重要的是，隨著其機器的兼容性不斷擴大，其應(yīng)用也在不斷擴大，Materialise等公司之前已經(jīng)推出了專用材料，旨在釋放惠普系統(tǒng)的潛力。

在其他地方，材料噴射專家XJet通過與Straumann合作，為其陶瓷兼容的Carmel 1400 3D打印機找到了終端牙科應(yīng)用。這款打印系統(tǒng)的高產(chǎn)能和可溶性支持物的兼容性據(jù)說對該公司有利，因為其牙科專業(yè)人員現(xiàn)在能夠花更多的時間與病人在一起，因為他們不必擔(dān)心打印部件的后期處理。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們的論文，題為 "Millimeter-waveelectromagnetic monitoring for liquid metal droplet-on-demand printing,"，該論文由T. Changa, S. Mukherjee, N. N. Watkins, E. Benavidez, A. M. Gilmore,A. J. Pascall和D. M. Stobbe共同撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0065989