【技術電子報】Liquid Metal 3D Printing 液態金屬 3D列印

This article was contributed by V. Sukhotskiy1,2, I. H. Karampelas3, G. Garg 1, A. Verma1, M. Tong 1, S. Vader2, Z. Vader2, and E. P. Furlani1 1University at Buffalo SUNY, 2Vader Systems, 3Flow Science, Inc.

噴墨式列印是一種成熟的商業化影像複製功能，而這個技術的的原理也可應用於特定的列印製程以及增材製造 (additive manufacturing)領域。

目前，傳統的噴墨技術已經被用應用在各種不同的領域。在更換介質後，噴墨列印技術還可以應用於聚合物、細胞、甚至是3D 金屬列印。

目前，大部分3D金屬列印的應用，多半採用沉積金屬粉末後過外部能量源 (例如雷射 or 電子束)的作用下，融化後再形成固體。但是這類型的製程在製造成本與加工複雜度上仍然存在缺點。例如：在3D列印之間，必須要先製造金屬粉末，才能開始進行後續加工。

新的製程開發是基於磁流體學 (magnetohydrodynamic, MHD) 噴墨技術應用在一個可移動基材上的3D金屬增材製造方法。為了驗證這個製程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

MHD分析用來估算由羅倫茲力 (Lorentz force) 密度在液滴內產生的壓力，然後作為 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。

製程裝置如圖1所示，由一個線圈環繞著噴射室，通過電脈衝產生一個瞬時磁場，利用磁場作用於液態金屬中，並在其中誘發一個閉環瞬時電場。電場産生一個循環電流密度，它與瞬態磁場反向耦合，幷在腔內産生一個磁流體動力洛倫茲力密度。力的徑向分量産生一個壓力，將液態金屬液滴從孔口噴出。噴出的液滴流向基體，在該處液滴凝聚和凝固，形成擴展的固體結構。

透過一個一個移動的基底逐層列印，就能夠製作任意形狀的 3D列印成品，進而實現精確的列印列印沉積製程。這項技術已經由維德系統公司（www.vadersystems.com）獲得專利幷商業化，商標爲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列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列印出的零件在機械性能上可以比傳統金屬列印的方式更好。

原型設備開發

維德系統的3D列印系統的一個關鍵組成部分是由一個噴嘴和一個螺線管線圈組成的列印頭組件。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。如圖1所示。水冷螺線管線圈環繞著孔口室（冷却系統在圖中未繪製）。

爲了研究噴射室的幾何形狀對液體金屬填充行爲以及液滴噴射動力學的影響，目前已經對針對噴頭設計進行了多次版本的更動開發。這些原型系統已經成功地列印了由普通鋁合金製成的固體三維結構（圖2）。

液滴的直徑從50微米到500微米不等，取决於孔徑、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。

液滴的産生

在MagnetoJet列印過程中，液滴以1-10米/秒的速度噴出，這取决於電壓脉衝參數。液滴在飛行過程中會略微冷却，然後衝擊基材。

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

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，因爲它涉及了

1. 控制液滴在冷卻時與周圍材料之間的熱擴散

2. 噴出的液滴的大小

3. 液滴噴射頻率

4. 已經列印完成的的三維物件熱擴散

通過參數最佳化，讓液滴尺寸減少，以提高列印物品的精度，同時必須保留足够的熱能，以促進與相鄰的液滴和層之間更平滑的凝聚。

在這個製程中，溫度管控的關鍵在於將加熱的基材保持在低于但相對接近熔點的溫度。這可以减少液滴與其周圍環境之間的溫度梯度，减緩了液滴的熱量擴散，從而促進了凝聚和凝固，形成一個光滑的固體三維塊。整體研究採用FLOW-3D進行了參數化的CFD分析，以探索這種方法的可行性。

液滴凝聚和凝固

實驗中研究了加熱的基體上的層內液滴凝固，該過程可以用液滴之間的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毫米的高度衝擊加熱的不銹鋼基體。圖3顯示了當液滴分離距離以50微米爲單位從100微米到400微米變化時，在列印實心線時液滴的凝聚和凝固，噴射頻率保持500赫茲不變。

當液滴分離超過250μm時，沿線出現帶有尖頂的凝固段。在分離距離爲350微米或更大時，這些段變得不連續，並且帶有未填充的空隙，這對形成光滑的固體結構是不恰當的。

研究中對保持在較低溫度的基底進行了類似的分析，例如600K、700K等。據觀察，雖然三維結構可以在較低溫的基底上列印，但其分層現象較為明顯，而且在後續的沉積金屬層之間的凝聚力較差。這是由於沉積的液滴中的熱能損失率增加。基材溫度的最終選擇可以根據特定應用的對象的可接受的列印品質來決定，或是可以動態調整基材溫度，以得到較佳的熱擴散(因為列印過程中，成品的尺寸會隨著時間增加而變大)。

FLOW-3D驗證

圖4顯示了在加熱的基材上列印的結構。在列印過程中，根據列印部件的度，加熱基材的溫度從733K（430℃）逐漸增加到833K（580℃）。這樣做是爲了克服隨著物體表面積的增加而導致的局部熱擴散的增加。鋁的高導熱性使之特別困難，因爲對局部熱梯度的任何調整都必須迅速進行，否則溫度會迅速降低，使層內凝聚力下降。

結論

根據模擬結果，維德系統的磁流體動力液態金屬3D列印機原型能够列印任意形狀的3D固體鋁結構。這些結構是通過亞毫米級液滴的逐層圖案化沉積而成功列印的。只用一個噴嘴就實現了每小時超過540克的材料沉積率。

這項技術的商業化進展順利，但在實現加工速度、效率、分辨率和材料選擇方面的最佳列印性能方面仍然存在挑戰。