綜述：金屬微滴噴射3D打印技術

1. 金屬微滴噴射3D打印技術原理

金屬微滴噴射技術是基于噴墨打印的原理，于20世紀90年代初提出并發展起來的一種3D打印技術。如圖1所示它是以均勻金屬微滴為基本成型單元，依據零件形狀特征逐點、逐層“堆積”而實現三維結構的快速打印技術，具有噴射材料范圍廣、無約束自由成形等優點，在微小復雜金屬件制備、電路打印與電子封裝以及結構功能一體化制造等領域具有廣泛應用前景。由于金屬材料具有熔點高、易氧化、粘性和表面張力大等特點，與非金屬材料噴射沉積有很大差距。

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

按需式金屬微滴噴射是利用激振器在需要時產生壓力脈沖，改變腔內熔體體積，迫使流體內部產生瞬間的速度和壓力變化驅使單顆熔滴形成。相比于連續式微滴噴射技術噴射頻率高，單顆熔滴飛行沉積行為不易控制的特點，按需式噴射時，一個脈沖僅對應一顆熔滴，因而具有噴射精確可控的優點，但噴射速度遠低于連續式噴射。

2. 金屬微滴噴射3D打印技術現狀

2.1國外研究現狀

美國機械工程師學會研制出了一種液滴的噴射系統，該系統將噴射出的液滴進行充電，使其在電場中進行偏轉并且沉積到指定位置，圖3為其設備的實物圖。

加州大學的M·Orme教授在實現連續金屬液滴噴射的基礎上，采用振幅調制術控制液滴的尺寸、改變液滴間距，制備了簡單鋁合金管件，其性能（抗拉強度）高于鑄件30%;

對于連續金屬液滴噴射技術，現階段研究主要停留在實驗室階段，并未實現商業化。僅有Xerox施樂公司推出了一款名為VaderSystemstuichu的打印設備。VaderSystems使用磁流體動力學（MagnetoHydroDynamics，MHD）和液態金屬噴墨打印（LiquidMetalJetPrinting，LMJP）合并成一種獨特的技術：Magnet-o-Jet。這是一種利用電磁力分散熔融金屬液態的技術，非常獨特，具有原創性。它使用金屬線材作為原料而不是粉末，并通過磁性控制液態金屬滴進行打印。在陶瓷坩堝中加熱熔化金屬絲成為液態→利用電磁脈沖將液態金屬分散成為一個個液滴→通過陶瓷噴嘴噴射出來。磁場使金屬滴精確移動到特定位置，然后堆疊成型。生產的零件精度很高，并具有各向同性的材料特性。


2.2國內研究現狀

國內華中科技大學研制了一種基于氣動膜片原理的按需噴射裝置。在該裝置中，雖然氣體仍然驅動液滴噴射，但是液體容腔內的氣壓波動并不是由氣體本身產生。氣體振膜在裝置中起到了一個振動發生器的作用，而容腔內的氣體將振動膜上產生的振動傳遞到液面上，從而使微滴噴射出來。該裝置實現了多種材料的按需噴射，實驗時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。

西北工業大學對氣動式微滴按需噴射技術進行了一系列的研究，研究了供氣壓力和電子脈沖寬度等系統工作參數對坩堝內壓力變化的影響。開發了氣動式按需噴射裝置，包含了噴射、氣體壓力采集、運動控制等子部分，并將整套裝置至于真空環境中。實現熔點從較低的錫鉛合金到熔點較高的銅合金的微粒的制備及簡單形狀的沉積。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。

哈爾濱工業大學在連續式微滴噴射技術和按需式微滴噴射技術噴射方面都進行了一定的研究。在連續式液滴噴射方面，用仿真模擬的方式研究了受擾動的金屬射流斷裂形成均勻液滴的過程，分析了擾動信號的參數及噴嘴直徑對液滴形成的影響。并且設計了一套基于連續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。

哈爾濱工業大學在按需式微滴噴射方面研究了基于壓電元件振動原理的按需噴射系統。選擇錫合金為沉積材料，實驗結果如圖9所示。

3. 金屬微滴噴射3D打印主要材料

國內外對金屬均勻液滴技術的研究材料主要為低熔點金屬，如錫、鋅、鋁、銅等合金，如表1所示。

4.金屬微滴噴射3D打印成形質量與工藝參數

影響微熔滴沉積成形件打印質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的工藝特點密切相關。

（1）孔洞缺陷
鋁合金微熔滴沉積成形件內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則且內壁粗糙，大多具有尖角特征，通常出現在同層或上下層熔滴相互搭接的區域。當掃描步距、噴射溫度、基板預熱溫度等工藝參數選擇不當時，內部的間隙孔洞就會大量形成，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部質量的重要因素之一。如圖10和圖11所示為不同掃描步距下微滴間可能產生的搭接現象。當掃描步距過大時，熔滴間無法有效搭接成型實體；當掃描步距過小時，熔滴間發生過度搭接而隆起。對不同掃描步距下成型的制件內部進行觀察，當搭接率過大或者過小時，內部均會產生孔洞。

（b）噴射溫度和基板預熱溫度的影響

噴射溫度是鋁合金微熔滴沉積成形過程中最為重要的工藝參數之一，直接決定熔滴所攜帶的能量及其后續鋪展凝固行為。在成形過程中，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，并在接觸區域形成搭接間隙。當熔滴液相分數較小時，搭接間隙往往難以填充完全，從而形成間隙孔洞，而決定熔滴液相分數的主要參數即為噴射溫度。加利福尼亞大學研究發現，基板的溫度直接影響熔滴到達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程中，若基板溫度較低，熔滴在較短時間內就會完全凝固，可供熔滴鋪展以及填充搭接間隙的時間較短，同時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，即使其它工藝參數選擇適當，沉積實體內部也將殘留較多間隙孔洞。而對基板進行適當預熱，給予熔滴充分鋪展的時間，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。

（2）裂紋缺陷
微熔滴沉積成形件內部的裂紋缺陷主要包括熔合線裂紋和細微熱裂紋，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，有時甚至可惡化成細長的宏觀縫隙。而曲折而細微的裂紋則為熱裂紋，圖13b是13a中試樣經過腐蝕后的局部放大圖，從中可以看出，細微熱裂紋形貌不規則，沿晶界延伸且常出現分枝。實驗中發現，成形件內部裂紋缺陷的形成與延伸受殘余熱應力集中效應、熔滴重熔效果以及晶粒生長情況等多個因素的影響。

（a）熱應力集中效應的影響
在成形過程中，高溫鋁熔滴的周期性沉積使得沉積實體不斷受到局部熱量輸入和小范圍冷凝行為的影響，再加上凝固過程中冷基板的約束效應，導致成形件內部殘留大量的熱應力。再者，成形件內部常見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，該類缺陷周圍應力集中現象明顯。上述因素共同作用，導致鋁合金微熔滴沉積成形件內部間隙孔洞周圍聚集大量熱應力，從而促使裂紋缺陷在此區域內集中出現。適當提高噴射溫度和基板預熱溫度可減少有效間隙孔洞缺陷，此外，對基板進行預熱還可有效降低試樣內部溫度梯度，緩解或消除成形件內部熱應力，因此適當調節噴射溫度和基板預熱溫度是消除殘余熱應力集中效應影響、改善裂紋缺陷的重要措施。

（b）熔滴重熔效果的影響
在沉積過程中，后沉積熔滴攜帶的熱量使已凝固的熔滴表面發生部分重熔，以實現彼此間的冶金結合，進而使整體成形件獲得一定的力學強度。熔滴重熔效果主要決定于噴射溫度和基板預熱溫度，當兩參數選擇不合理時，熔滴表面重熔深度較小甚至僅靠機械楔合作用保持連接，此時在熔滴的結合區域就會殘留明顯的熔合線，它在凝固收縮或熱應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，通過調節噴射溫度和基板預熱溫度等參數消除熔合線，可從根本上避免因熔合線開裂而形成的裂紋缺陷。

4. 金屬微滴噴射3D打印現存問題與展望

（1）面向不同應用領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，均勻金屬微滴穩定噴射沉積是該技術能否得到廣泛應用的關鍵。由于不同金屬材料的物性相差很大，為實現其穩定噴射，需在研究工藝參數對不同材料噴射過程影響規律的基礎上，設計合適的噴射裝置，開發出適用于不同金屬材料噴射的柔性化3D打印裝備。

（2）非均質材料、梯度功能材料及其制件打印與控制系統研究。由于微滴噴射技術具有微量定點精確沉積的特點，在非均質材料、功能材料及其制件成型方面具有獨特優勢。傳統均質材料噴射成型系統及其控制軟件很難直接應用，因此，需要研究多材料噴射沉積機理及其控制方案，開發多噴頭聯動沉積系統、多材質材料/零件模型處理軟件和軌跡規劃算法，以實現依據用戶需求而設計的非均質材料及制件的打印成型。

（3）結構功能一體化集成件噴射沉積打印機理、工藝與成型設備研究。實現結構性能和熱、電、磁等特殊功能集成的結構功能一體化件的成型，需在研究不同材質打印、結合機理、集成方式的基礎上，設計具有熔滴噴射沉積功能與異質組元添加功能的智能化柔性打印設備及其相應軟件與控制系統。可以預見，該技術將隨著高新技術的迅猛發展而發揮愈來愈重要的作用。

（4）金屬材料熔點高，粘性和表面張力大，部分金屬還具有較強的腐蝕性，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，需開發新型耐高溫、耐腐蝕的噴射裝置。

（5）在金屬微滴噴射沉積過程中，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，需從實驗和理論兩方面研究各參數對微滴熔合狀態、內部微觀組織演變規律等的影響，以保證成型件的外部形貌、內部質量及力學性能。此外，雜質過濾、成型過程監控等也是需要解決的關鍵技術。

來源： 沈航增材