High-Throughput Metal 3D Printing Pen Enabled by a Continuous Molten Droplet Transfer

Chan Kyu Kim, Dae-Won Cho, Seok Kim, Sang Woo Song, Kang Myung Seo, and Young Tae Cho

本文討論的是金屬3D打印技術。文章提出了一種基于電弧等離子體(Arc Plasma)熱源的M3DPen金屬3D打印技術，利用熔融金屬的表面張力實現連續材料沉積，而不受重力下降的限制。這種方法與傳統的基于電弧的金屬積層制造不同之處，在于它控制了點對點沉積路徑之間的凝固和冷卻時間，從而實現一次性連續金屬3D打印自由支撐和懸臂結構。另外，文章還探討了冷卻時熔融金屬的熱差異影響下的機械性能和微觀組織。

M3DPen設備及制程

M3DPen制程的工作原理

1. M3DPen打印筆使用電弧等離子體(Arc Plasma)熱源加熱金屬絲，使其熔化。

2. 熔融金屬通過筆尖噴出，利用表面張力實現連續材料沉積。

3. 由于沉積路徑之間的凝固和冷卻時間被控制，因此可以實現一次性連續金屬 3D打印自由支撐和懸臂結構。

4. 在M3DPen打印過程中，電弧等離子體熱源提供了足夠的能量來使金屬絲熔化并形成一個小型的熔池。

5. 當金屬絲被推進到這個小型的熔池中時，它會迅速融化并形成一個小型的液滴。

6. 液滴通過筆尖噴出并附著在基板上，然后快速凝固形成一個新的固體層。

CFD數值模擬

1. 本文使用CFD軟件FLOW-3D模擬M3DPen打印過程中熔融金屬的凝固過程。

2. 通過模擬分析證明了M3DPen打印過程中熔融金屬的穩定沉積。

3. 文章提供了M3DPen中熔融金屬的沉積和凝固的3D瞬態分析結果。

4. 分析結果有助于更好地理解M3DPen打印過程中熔融金屬的行為和特性。

溫度梯度和生長速率對凝固微觀組織和機械性能的影響

獨立3D結構的連續制造

M3DPen可以實現連續金屬3D打印自由支撐和懸臂結構。

下圖展示了使用M3DPen連續金屬打印的螺旋結構，以及用于制造螺旋結構的連續金屬沉積路徑。該螺旋結構具有80毫米的半徑和200毫米的螺距。

結論

1. 未來將進一步優化M3DPen制程，以實現更高的沉積效率和更大規模的生產。

2. 研究不同金屬材料在M3DPen過程中的行為和性能，以擴展其應用范圍。

3. 通過對凝固微觀組織和材料性能的深入研究，了解M3DPen過程中不同參數對材料性能的影響。

4. 比較M3DPen和其他金屬AM技術之間的差異和優缺點，以確定最適合特定應用場景的技術。