綜述：金屬微滴噴射3D打印技術(shù)

來(lái)源： 沈航增材

1. 金屬微滴噴射3D打印技術(shù)原理

金屬微滴噴射技術(shù)是基于噴墨打印的原理，于20世紀(jì)90年代初提出并發(fā)展起來(lái)的一種3D打印技術(shù)。如圖1所示它是以均勻金屬微滴為基本成型單元，依據(jù)零件形狀特征逐點(diǎn)、逐層“堆積”而實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的快速打印技術(shù)，具有噴射材料范圍廣、無(wú)約束自由成形等優(yōu)點(diǎn)，在微小復(fù)雜金屬件制備、電路打印與電子封裝以及結(jié)構(gòu)功能一體化制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。由于金屬材料具有熔點(diǎn)高、易氧化、粘性和表面張力大等特點(diǎn)，與非金屬材料噴射沉積有很大差距。

圖1金屬微熔滴沉積成形過(guò)程示意圖

根據(jù)均勻金屬液滴產(chǎn)生原理和控制方式的不同，金屬液滴噴射技術(shù)可以分為連續(xù)式噴射（continuous-ink-jet，CIJ）（圖2（a））和按需式噴射（drop-on-demand，DOD）（圖2（b））兩大類。連續(xù)式均勻金屬微滴噴射是在持續(xù)壓力的作用下，使噴射腔內(nèi)流體經(jīng)過(guò)噴孔形成毛細(xì)射流，并在激振器的作用下斷裂成為均勻液滴流。該技術(shù)最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)加州大學(xué)歐文分校在20世紀(jì)90年代基于Rayleigh射流線性不穩(wěn)定理論提出的。圖1（a）所示為典型的連續(xù)式微滴產(chǎn)生裝置，坩堝內(nèi)熔體先在氣壓作用下流出噴嘴形成射流。

圖2均勻金屬微滴產(chǎn)生與噴射原理圖：（a）連續(xù)式噴射（CIJ）;（b）按需噴射（DOD）

按需式金屬微滴噴射是利用激振器在需要時(shí)產(chǎn)生壓力脈沖，改變腔內(nèi)熔體體積，迫使流體內(nèi)部產(chǎn)生瞬間的速度和壓力變化驅(qū)使單顆熔滴形成。相比于連續(xù)式微滴噴射技術(shù)噴射頻率高，單顆熔滴飛行沉積行為不易控制的特點(diǎn)，按需式噴射時(shí)，一個(gè)脈沖僅對(duì)應(yīng)一顆熔滴，因而具有噴射精確可控的優(yōu)點(diǎn)，但噴射速度遠(yuǎn)低于連續(xù)式噴射。

2. 金屬微滴噴射3D打印技術(shù)現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)研制出了一種液滴的噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)將噴射出的液滴進(jìn)行充電，使其在電場(chǎng)中進(jìn)行偏轉(zhuǎn)并且沉積到指定位置，圖3為其設(shè)備的實(shí)物圖。

圖3美國(guó)工程師協(xié)會(huì)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)裝置

加州大學(xué)的M·Orme教授在實(shí)現(xiàn)連續(xù)金屬液滴噴射的基礎(chǔ)上，采用振幅調(diào)制術(shù)控制液滴的尺寸、改變液滴間距，制備了簡(jiǎn)單鋁合金管件，其性能（抗拉強(qiáng)度）高于鑄件30%;

圖4金屬鋁液滴沉積得到的柱狀制件

對(duì)于連續(xù)金屬液滴噴射技術(shù)，現(xiàn)階段研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，并未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。僅有Xerox施樂(lè)公司推出了一款名為VaderSystemstuichu的打印設(shè)備。VaderSystems使用磁流體動(dòng)力學(xué)（MagnetoHydroDynamics，MHD）和液態(tài)金屬噴墨打印（LiquidMetalJetPrinting，LMJP）合并成一種獨(dú)特的技術(shù)：Magnet-o-Jet。這是一種利用電磁力分散熔融金屬液態(tài)的技術(shù)，非常獨(dú)特，具有原創(chuàng)性。它使用金屬線材作為原料而不是粉末，并通過(guò)磁性控制液態(tài)金屬滴進(jìn)行打印。在陶瓷坩堝中加熱熔化金屬絲成為液態(tài)→利用電磁脈沖將液態(tài)金屬分散成為一個(gè)個(gè)液滴→通過(guò)陶瓷噴嘴噴射出來(lái)。磁場(chǎng)使金屬滴精確移動(dòng)到特定位置，然后堆疊成型。生產(chǎn)的零件精度很高，并具有各向同性的材料特性。


2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研制了一種基于氣動(dòng)膜片原理的按需噴射裝置。在該裝置中，雖然氣體仍然驅(qū)動(dòng)液滴噴射，但是液體容腔內(nèi)的氣壓波動(dòng)并不是由氣體本身產(chǎn)生。氣體振膜在裝置中起到了一個(gè)振動(dòng)發(fā)生器的作用，而容腔內(nèi)的氣體將振動(dòng)膜上產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到液面上，從而使微滴噴射出來(lái)。該裝置實(shí)現(xiàn)了多種材料的按需噴射，實(shí)驗(yàn)時(shí)選取拉制的玻璃針作為噴嘴，得到平均直徑約為噴嘴直徑三倍的液滴，如圖5所示。

圖6華中科技大學(xué)的閥控式噴射裝置

西北工業(yè)大學(xué)對(duì)氣動(dòng)式微滴按需噴射技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，研究了供氣壓力和電子脈沖寬度等系統(tǒng)工作參數(shù)對(duì)坩堝內(nèi)壓力變化的影響。開發(fā)了氣動(dòng)式按需噴射裝置，包含了噴射、氣體壓力采集、運(yùn)動(dòng)控制等子部分，并將整套裝置至于真空環(huán)境中。實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)從較低的錫鉛合金到熔點(diǎn)較高的銅合金的微粒的制備及簡(jiǎn)單形狀的沉積。圖7(a)所示的是噴射沉積的鋁棒材，圖7(b)所示的是裝置制備的金屬銅微粒。

圖7（a） 金屬微小管件    (b)金屬微銅顆粒

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在連續(xù)式微滴噴射技術(shù)和按需式微滴噴射技術(shù)噴射方面都進(jìn)行了一定的研究。在連續(xù)式液滴噴射方面，用仿真模擬的方式研究了受擾動(dòng)的金屬射流斷裂形成均勻液滴的過(guò)程，分析了擾動(dòng)信號(hào)的參數(shù)及噴嘴直徑對(duì)液滴形成的影響。并且設(shè)計(jì)了一套基于連續(xù)式原理的噴射打印裝置，并且獲得了均勻的金屬微滴，如圖8所示。

圖8  連續(xù)式噴射打印沉積系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在按需式微滴噴射方面研究了基于壓電元件振動(dòng)原理的按需噴射系統(tǒng)。選擇錫合金為沉積材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9  按需式微滴噴射

3. 金屬微滴噴射3D打印主要材料

國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬均勻液滴技術(shù)的研究材料主要為低熔點(diǎn)金屬，如錫、鋅、鋁、銅等合金，如表1所示。

表1金屬微滴噴射成形技主要材料

4.金屬微滴噴射3D打印成形質(zhì)量與工藝參數(shù)

影響微熔滴沉積成形件打印質(zhì)量的主要有孔洞和裂紋兩種缺陷，兩者各自形貌特征和形成原因均與金屬微熔滴沉積成形技術(shù)的工藝特點(diǎn)密切相關(guān)。

（1）孔洞缺陷
鋁合金微熔滴沉積成形件內(nèi)部孔洞缺陷主要是由于熔合不良而形成的間隙孔洞，此類孔洞缺陷形貌不規(guī)則且內(nèi)壁粗糙，大多具有尖角特征，通常出現(xiàn)在同層或上下層熔滴相互搭接的區(qū)域。當(dāng)掃描步距、噴射溫度、基板預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，內(nèi)部的間隙孔洞就會(huì)大量形成，降低其致密度。

（a）掃描步距的影響
掃描步距是影響制件外觀形貌和內(nèi)部質(zhì)量的重要因素之一。如圖10和圖11所示為不同掃描步距下微滴間可能產(chǎn)生的搭接現(xiàn)象。當(dāng)掃描步距過(guò)大時(shí)，熔滴間無(wú)法有效搭接成型實(shí)體；當(dāng)掃描步距過(guò)小時(shí)，熔滴間發(fā)生過(guò)度搭接而隆起。對(duì)不同掃描步距下成型的制件內(nèi)部進(jìn)行觀察，當(dāng)搭接率過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，內(nèi)部均會(huì)產(chǎn)生孔洞。

圖11 掃描步距對(duì)沉積形貌影響示意圖

圖11 不同掃描步距時(shí)沉積平面外觀形貌及內(nèi)部微觀組織（a）1000μm;（b）850μm;（c）750μm;（d）700μm;（e）620μm;（f）600μm

（b）噴射溫度和基板預(yù)熱溫度的影響

噴射溫度是鋁合金微熔滴沉積成形過(guò)程中最為重要的工藝參數(shù)之一，直接決定熔滴所攜帶的能量及其后續(xù)鋪展凝固行為。在成形過(guò)程中，由于熔滴碰撞變形和鋪展，同層或上下層的相鄰鋁熔滴相互搭接重疊，并在接觸區(qū)域形成搭接間隙。當(dāng)熔滴液相分?jǐn)?shù)較小時(shí)，搭接間隙往往難以填充完全，從而形成間隙孔洞，而決定熔滴液相分?jǐn)?shù)的主要參數(shù)即為噴射溫度。加利福尼亞大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，基板的溫度直接影響熔滴到達(dá)基板后的降溫速率及其完全凝固后的平衡溫度。在金屬微熔滴沉積過(guò)程中，若基板溫度較低，熔滴在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)完全凝固，可供熔滴鋪展以及填充搭接間隙的時(shí)間較短，同時(shí)熔滴完全凝固后的平衡溫度較低，使得下一層沉積熔滴也將具有較高的凝固速率，因此在此條件下，即使其它工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，沉積實(shí)體內(nèi)部也將殘留較多間隙孔洞。而對(duì)基板進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，給予熔滴充分鋪展的時(shí)間，可有效抑制間隙孔洞的形成，從而提高成形件的致密度，如圖12所示。

圖12 不同工藝條件下鋁合金微熔滴沉積成形件橫截面

（2）裂紋缺陷
微熔滴沉積成形件內(nèi)部的裂紋缺陷主要包括熔合線裂紋和細(xì)微熱裂紋，如圖13a所示。沿圓弧平緩延伸的裂紋即為熔合線裂紋，它是由熔合線開裂而形成的，尺寸較大，有時(shí)甚至可惡化成細(xì)長(zhǎng)的宏觀縫隙。而曲折而細(xì)微的裂紋則為熱裂紋，圖13b是13a中試樣經(jīng)過(guò)腐蝕后的局部放大圖，從中可以看出，細(xì)微熱裂紋形貌不規(guī)則，沿晶界延伸且常出現(xiàn)分枝。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，成形件內(nèi)部裂紋缺陷的形成與延伸受殘余熱應(yīng)力集中效應(yīng)、熔滴重熔效果以及晶粒生長(zhǎng)情況等多個(gè)因素的影響。

（a）熱應(yīng)力集中效應(yīng)的影響
在成形過(guò)程中，高溫鋁熔滴的周期性沉積使得沉積實(shí)體不斷受到局部熱量輸入和小范圍冷凝行為的影響，再加上凝固過(guò)程中冷基板的約束效應(yīng)，導(dǎo)致成形件內(nèi)部殘留大量的熱應(yīng)力。再者，成形件內(nèi)部常見(jiàn)的間隙孔洞通常尺寸較大、多具有尖角特征且彼此距離較近，該類缺陷周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。上述因素共同作用，導(dǎo)致鋁合金微熔滴沉積成形件內(nèi)部間隙孔洞周圍聚集大量熱應(yīng)力，從而促使裂紋缺陷在此區(qū)域內(nèi)集中出現(xiàn)。適當(dāng)提高噴射溫度和基板預(yù)熱溫度可減少有效間隙孔洞缺陷，此外，對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱還可有效降低試樣內(nèi)部溫度梯度，緩解或消除成形件內(nèi)部熱應(yīng)力，因此適當(dāng)調(diào)節(jié)噴射溫度和基板預(yù)熱溫度是消除殘余熱應(yīng)力集中效應(yīng)影響、改善裂紋缺陷的重要措施。

（b）熔滴重熔效果的影響
在沉積過(guò)程中，后沉積熔滴攜帶的熱量使已凝固的熔滴表面發(fā)生部分重熔，以實(shí)現(xiàn)彼此間的冶金結(jié)合，進(jìn)而使整體成形件獲得一定的力學(xué)強(qiáng)度。熔滴重熔效果主要決定于噴射溫度和基板預(yù)熱溫度，當(dāng)兩參數(shù)選擇不合理時(shí)，熔滴表面重熔深度較小甚至僅靠機(jī)械楔合作用保持連接，此時(shí)在熔滴的結(jié)合區(qū)域就會(huì)殘留明顯的熔合線，它在凝固收縮或熱應(yīng)力等的作用下就可能惡化為熔合線裂紋缺陷。由此可知，熔合線的存在是熔合線裂紋得以形成及不斷延展的根本原因，通過(guò)調(diào)節(jié)噴射溫度和基板預(yù)熱溫度等參數(shù)消除熔合線，可從根本上避免因熔合線開裂而形成的裂紋缺陷。

圖13  鋁合金微熔滴沉積成形件內(nèi)部微觀組織形貌

4. 金屬微滴噴射3D打印現(xiàn)存問(wèn)題與展望

（1）面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的噴射沉積裝備研究，特別是用于噴射不同高溫金屬材料噴射裝置的開發(fā)，均勻金屬微滴穩(wěn)定噴射沉積是該技術(shù)能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。由于不同金屬材料的物性相差很大，為實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定噴射，需在研究工藝參數(shù)對(duì)不同材料噴射過(guò)程影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的噴射裝置，開發(fā)出適用于不同金屬材料噴射的柔性化3D打印裝備。

（2）非均質(zhì)材料、梯度功能材料及其制件打印與控制系統(tǒng)研究。由于微滴噴射技術(shù)具有微量定點(diǎn)精確沉積的特點(diǎn)，在非均質(zhì)材料、功能材料及其制件成型方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)均質(zhì)材料噴射成型系統(tǒng)及其控制軟件很難直接應(yīng)用，因此，需要研究多材料噴射沉積機(jī)理及其控制方案，開發(fā)多噴頭聯(lián)動(dòng)沉積系統(tǒng)、多材質(zhì)材料/零件模型處理軟件和軌跡規(guī)劃算法，以實(shí)現(xiàn)依據(jù)用戶需求而設(shè)計(jì)的非均質(zhì)材料及制件的打印成型。

（3）結(jié)構(gòu)功能一體化集成件噴射沉積打印機(jī)理、工藝與成型設(shè)備研究。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和熱、電、磁等特殊功能集成的結(jié)構(gòu)功能一體化件的成型，需在研究不同材質(zhì)打印、結(jié)合機(jī)理、集成方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)具有熔滴噴射沉積功能與異質(zhì)組元添加功能的智能化柔性打印設(shè)備及其相應(yīng)軟件與控制系統(tǒng)。可以預(yù)見(jiàn)，該技術(shù)將隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用。

（4）金屬材料熔點(diǎn)高，粘性和表面張力大，部分金屬還具有較強(qiáng)的腐蝕性，以往成熟的非金屬材料噴射裝置及控制方法很難直接用于金屬材料的噴射和打印成型，需開發(fā)新型耐高溫、耐腐蝕的噴射裝置。

（5）在金屬微滴噴射沉積過(guò)程中，金屬微滴鋪展、凝固等受到微滴飛行速度、微滴溫度、基板溫度等多因素的耦合作用，需從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面研究各參數(shù)對(duì)微滴熔合狀態(tài)、內(nèi)部微觀組織演變規(guī)律等的影響，以保證成型件的外部形貌、內(nèi)部質(zhì)量及力學(xué)性能。此外，雜質(zhì)過(guò)濾、成型過(guò)程監(jiān)控等也是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。