綜述：金屬微滴噴射3D打印技術(shù)
時(shí)間：2023-12-13 09:16 來(lái)源：沈航增材 作者：admin 閱讀：次
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。
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。
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。
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%;
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。
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(kāi)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。
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。
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。
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(kāi)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
(責(zé)任編輯：admin)
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