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Chan Kyu Kim, Dae-Won Cho, Seok Kim, Sang Woo Song, Kang Myung Seo,
and Young Tae Cho
本文討論的是高通量金屬 3D 列印技術。文章提出了一種基於電弧等離子體 (Arc Plasma) 熱源的高通量金屬 3D 列印筆 (M3DPen) 製作方式，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於弧電的金屬 積層製造不同之處，在於它控制了點對點沉積路徑之間的凝固和冷却時間，從而實現一次性連續金屬 3D 列印自由支撐和懸臂結構。另外，文章還探討了由於冷却下熔融金屬的熱條件差异而産生的連續金屬沉積所産生的機械性能和獨特微觀結構。
M3DPen 設備及製程說明
M3DPen 製程的工作原理
1. M3DPen 列印筆使用電弧等離子體 (Arc Plasma)熱源加熱金屬線，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. 由於沉積路徑之間的凝固和冷却時間被控制，因此可以實現一次性連續金屬 3D 列印自由支撐和懸臂結構。
4. 在 M3DPen 列印過程中，電弧等離子體熱源提供了足够的能量來使金屬線熔化並形成一個小型的熔池。
5. 當金屬線被推進到這個小型的熔池中時，它會迅速融化並形成一個小型的液滴。
6. 液滴通過筆尖噴出並附著在基板上，然後快速凝固形成一個新的固體層。
CFD數值模擬
1. 本文使用CFD軟體 FLOW-3D模擬M3DPen 列印過程中熔融金屬的凝固過程。
2.通過模擬分析證明了 M3DPen 列印過程中熔融金屬的穩定沉積。
3. 文章提供了如圖 3中，展示了在 M3DPen 中熔融金屬的沉積和凝固的 3D 瞬態分析結果。
4. 在圖 3 中，當電弧開啓時，從電弧熱源和熔融金屬轉移中傳輸的熱量被施加在模擬中。
5. 該分析結果有助於更好地理解 M3DPen 列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結構和機械性能的影響
Continuous Manufacturing of Freestanding 3D Structures
獨立式三維結構的連續製造
M3DPen 策略可以實現連續金屬 3D 列印自由支撐和懸臂結構的能力，以下為設備說明。
1.圖 5展示了使用 M3DPen 策略連續金屬列印的螺旋結構，該螺旋結構具有 80 毫米的半徑和 200 毫米的螺距。
2.圖 5b 展示了用於製造螺旋結構的連續金屬沉積路徑。
3. 在 M3DPen 列印過程中，電弧等離子體熱源提供足夠的能量來使金屬線熔化並形成一個小型的熔池。液滴通過筆尖噴出並附著在基板上，然後快速凝固形成一個新的固體層。通過控制沉積路徑之間的凝固和冷却時間，可以實現一次性連續金屬 3D 列印自由支撐和懸臂結構。
結論
1. 未來將進一步優化 M3DPen 策略，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，以擴展其應用範圍。
3. 通過對凝固微結構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。