“Liquid Metal 3D Printing”

This article was contributed by V. Sukhotskiy ^1,2, I. H. Karampelas ³, G. Garg ¹, A. Verma ¹, M. Tong ¹, S. Vader ², Z. Vader ², and E. P. Furlani ¹

¹University at Buffalo SUNY,  ²Vader Systems,  ³Flow Science, Inc.

噴墨式打印是一種成熟的商業化影像復制功能，而這個技術的原理也可應用于特定的打印工藝和增材制造(additive manufacturing)領域。

目前，傳統的噴墨技術已經被應用在各種不同的領域。在更換介質后，噴墨打印技術還可以應用于聚合物、細胞、甚至金屬打印。

目前，大部分3D金屬打印的應用，采用沉積金屬粉末經過外部能量源（如激光或電子束）的作用，熔化后再形成固體。但是這類型的工藝在制造成本與加工復雜度上仍然存在缺點。例如：在3D打印之前，必須要先制備金屬粉末，才能開始進行后續加工。

新的工藝開發基于磁流體動力學(magnetohydrodynamic, MHD)，是噴墨技術應用在一個可移動基材上的3D金屬增材制造方法。為了驗證這個工藝的各個部分是否可行，進行了多項模擬測試。

為了簡化，這個研究被分為兩個部分。

Part1:

MHD分析用來估算由洛倫茲力(Lorentz force)在液滴內產生的壓力，然后作為FLOW-3D模型的邊界條件。這個模型被用來研究液滴噴射動力學。

Part2:

為了確定理想的液滴沉積條件，進行了FLOW-3D參數化分析。

工藝裝置如圖1所示，由一個線圈環繞著噴射室，通過電脈沖產生一個瞬時磁場，利用磁場作用于液態金屬中，并在其中誘發一個循環瞬時電場。電場產生一個循環電流密度，它與瞬態磁場反向耦合，并在腔內產生一個磁流體動力洛倫茲力密度。力的徑向分量產生一個壓力，將液態金屬液滴從孔口噴出。噴出的液滴流向基體，在該處液滴聚結和凝固，形成擴展的固體結構。

圖1

透過移動的基體逐層打印，就能制作出任意形狀的3D打印成品，進而實現精確的打印沉積制程。這項技術已經由維德系統公司（www.vadersystems.com）獲得專利并商業化，商標為MagnetoJet。

MagnetoJet技術的優點是能夠以相對較高的沉積率和較低的材料成本打印任意形狀的三維金屬結構。此外，獨特的金屬晶粒結構的存在表示，打印出的零件在機械性能上可以比傳統方式打印的更好。

原型設備開發

維德系統3D打印的一個關鍵部分是由一個噴嘴和一個螺線管線圈組成的打印頭組件。液化作用發生在噴嘴的上半部分，下部包含一個亞毫米級的孔口，直徑從100μm到500μm不等。水冷螺線管線圈環繞著孔口室（冷卻系統在圖中未繪制）。如圖1所示。

為了研究噴射室的幾何形狀對液體金屬填充行為以及液滴噴射動力學的影響，目前已經針對噴頭設計進行了多次版本更新開發。這些原型系統已經成功地打印了普通鋁合金固體三維結構（圖2）。

圖2 鋁制3D打印制品（維達系統公司提供）

液滴的直徑從50微米到500微米不等，取決于孔徑、幾何形狀、噴射頻率和其他參數。已經實現了從40-1000赫茲的持續液滴噴射率，短時爆發可達5000赫茲。

液滴的產生

在MagnetoJet打印過程中，液滴以1-10米/秒的速度噴出，這取決于電壓脈沖參數。液滴在飛行過程中會略微冷卻，然后沖擊基材。

控制液滴在基材上的圖案化和凝固的能力對于形成精確的3D固體結構至關重要，而使用高精度的3D運動基座，可以實現精確的液滴放置圖案化。

然而，控制凝固以生成低孔隙率與不易辨識的分層外觀是最大挑戰，因為它涉及了：

1. 在冷卻時從液滴到周圍材料的熱擴散
2. 噴出的液滴大小
3. 液滴噴射頻率
4. 打印完成的3D對象的熱擴散

通過參數優化，使液滴尺寸減少以提高打印物品的精度，同時必須保留足夠的熱能，以促進與相鄰液滴和層之間更平滑的凝聚。

在這個工藝中，溫度控制的關鍵在于將加熱的基材保持在低于但相對接近熔點的溫度。這可以減少液滴與其周圍環境之間的溫度梯度，減緩液滴的熱量擴散，從而促進聚結和凝固，形成一個光滑的三維固體。研究采用FLOW-3D進行了參數化的CFD分析，以探索這種方法的可行性。

圖3 熔融金屬液滴噴出模擬

液滴聚結和凝固

實驗研究了加熱的基體上層內液滴的凝固，該過程可以用液滴之間中心到中心的間距以及液滴噴射頻率的函數進行描述。

在這個分析中，液態鋁的球形液滴從3毫米的高度沖擊加熱的不銹鋼基體。圖4顯示了當液滴分離距離以50微米為單位，從100微米到400微米變化時，液滴的聚結和凝固，噴射頻率保持500赫茲不變。

圖4

當液滴分離超過250微米時，沿線會出現帶有尖端的凝固段。在分離距離為350微米或更大時，這些段變得不連續，并且帶有未填充的間隙。這對于形成光滑的固體結構是不理想的。

研究中對較低溫度（如600K、700K等）下的基體進行了類似的分析。據觀察，雖然3D結構可以打印在較冷的基體上，但其分層現象較為明顯，例如后續的沉積金屬層之間缺乏強聚結。這是由于沉積液滴中熱能損失率的增加。因此，基材溫度的最終選擇可以根據給定應用中物體的可接受打印質量來決定，甚至可以動態調整基材溫度，以得到較佳的熱擴散（因為打印過程中，成品的尺寸會隨時間變大）。

圖5顯示了打印在加熱基體上的杯子結構。在打印過程中，根據打印部件的實時高度，加熱基體的溫度從733K（430℃）逐漸升高到833K（580℃）。這樣做是為了克服隨著物體表面積的增加，局部熱擴散的增加。鋁的高導熱性使得這一點特別困難，因為必須快速調整局部熱梯度，否則溫度會迅速降低并降低層內聚結。

圖5

結論

根據仿真結果，維德系統開發的磁流體動力液態金屬3D打印機能夠打印任意形狀的3D固體金屬結構。這些結構是通過亞毫米級液滴的逐層圖案化沉積而成功打印的。一個孔口可以實現超過540克/小時的材料沉積率。

這項技術的商業化進展順利，但在實現最佳打印性能方面仍存在許多挑戰，包括產量、效率、分辨率和材料選擇。