綜述：金屬微滴噴射3D打印技術
時間：2023-12-13 09:16 來源：沈航增材 作者：admin 閱讀：次
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。
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。
圖1金屬微熔滴沉積成形過程示意圖
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。
圖2均勻金屬微滴產生與噴射原理圖：（a）連續式噴射（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。
圖3美國工程師協會電場偏轉裝置
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%;
圖4金屬鋁液滴沉積得到的柱狀制件
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。
圖6華中科技大學的閥控式噴射裝置
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。
圖7（a） 金屬微小管件 (b)金屬微銅顆粒
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。
圖8 連續式噴射打印沉積系統
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。
圖9 按需式微滴噴射
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