金屬噴墨打印成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

左寒松 石阿娜 柳翊 安俊超 金文中 閔志宇 張偉

摘要：金屬噴墨打印技術(shù)是基于金屬微滴噴射技術(shù)的一種新型增材制造技術(shù)，其源于傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)，具有高精度、高靈活性和適用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、教育科研、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、軍事、航空航天和藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。本文關(guān)注新型噴墨打印技術(shù)在金屬零部件快速成型領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合筆者研究實(shí)踐與國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，詳細(xì)闡述了金屬熔滴噴射產(chǎn)生技術(shù)、熔滴/沉積表面交互作用、連續(xù)熔滴沉積過程規(guī)律、成型件微觀組織演變機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)與研究難點(diǎn)，并對金屬噴墨打印成形的未來研究及應(yīng)用方向作以展望，旨在為相關(guān)領(lǐng)域研究者們提供些許參考。

關(guān)鍵詞：增材制造；金屬熔滴；噴墨打印

1 引言

近年來，隨著傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)與增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）的不斷融合與相互催化，新型噴墨打印技術(shù)（Ink Printing Technology）越來越得到關(guān)注。該技術(shù)基于離散-堆積成形原理，直接將金屬材料離散為均勻穩(wěn)定的零維點(diǎn)單元（即微熔滴），配合先進(jìn)數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)等的“降維制造”。因其具有短周期、高柔性、非接觸、數(shù)字驅(qū)動，以及環(huán)境親和等諸多優(yōu)點(diǎn)，且“墨水”適用原材料幾乎無限制，在機(jī)械制造、電子信息、航空航天、生物醫(yī)藥乃至土木工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣泛[1-3]。

本文重點(diǎn)關(guān)注新型噴墨打印技術(shù)在金屬材料三維實(shí)體結(jié)構(gòu)快速成型領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)合筆者研究實(shí)踐與國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，詳細(xì)闡述了金屬熔滴噴射產(chǎn)生技術(shù)、熔滴/沉積表面交互作用、連續(xù)熔滴沉積過程規(guī)律、成型件微觀組織演變機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)與研究難點(diǎn)，并對金屬噴墨打印成形的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用探索作以小結(jié)與展望，以期為此類新技術(shù)的后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用提供一些可能方向。

2 金屬微熔滴噴射產(chǎn)生技術(shù)

開發(fā)出一種材料離散技術(shù)以實(shí)現(xiàn)均勻金屬微滴單元持續(xù)而穩(wěn)定的產(chǎn)生，始終是金屬噴墨打印技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展阻礙。目前在噴墨打印技術(shù)中應(yīng)用最多、較為成熟的金屬微滴噴射產(chǎn)生技術(shù)主要有連續(xù)式（CIJ）和按需式（DOD）兩大類，根據(jù)使用驅(qū)動形式的不同又發(fā)展出多種技術(shù)分支，如壓電連續(xù)式、壓電按需式、氣動按需式和脈沖按需式等，已成功實(shí)現(xiàn)錫鉛釬料、汞、鋅、鋁、銅、金和鎂等多種金屬材料及其合金的連續(xù)穩(wěn)定噴射，所得球狀熔滴體積可控制在皮升數(shù)量級水平以內(nèi)[1]。不過受限于金屬材料的固有物化性能，如較高的熔點(diǎn)、黏度和表面張力等，利用現(xiàn)有噴射技術(shù)想進(jìn)一步減小金屬熔滴尺寸以提高成型分辨率的難度較大，且微噴嘴容易堵塞，迫切需要新一類金屬熔滴噴射產(chǎn)生技術(shù)的開發(fā)。近期研究發(fā)現(xiàn)，利用能量更為集中的驅(qū)動方式，能夠擺脫噴嘴結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有微孔徑加工技術(shù)限制，實(shí)現(xiàn)大孔徑噴嘴條件下的小微滴噴射[4-6]。

3 金屬微熔滴與沉積表面間的交互作用

高溫金屬微熔滴在低溫固體表面上的非等溫瞬時沉積過程，至少涉及兩個動力學(xué)參數(shù)及五個熱力學(xué)參數(shù)，可能出現(xiàn)或并存鋪展、飛濺/噴射和破裂、彈跳、質(zhì)量傳輸、沖擊震蕩、傳熱、凝固及界面重熔等多種現(xiàn)象，直接關(guān)系噴墨打印成型精度、微觀組織乃至整體性能[7]。前期研究中確定，熔滴若想穩(wěn)定產(chǎn)生，同時避免濺射不可控沉積現(xiàn)象，以獲得穩(wěn)定而可重復(fù)的沉積形態(tài)，其無量綱韋伯?dāng)?shù)應(yīng)在1～10數(shù)量級之間[7， 8]。噴墨打印過程熔滴飛行下落速度較慢，濺射現(xiàn)象不易發(fā)生。但在熔滴碰撞鋪展結(jié)束后仍可能發(fā)生回縮彈跳，脫離初始沉積位置而影響成型精度的獲得。大量研究結(jié)果表明，熔滴彈跳行為發(fā)生與否，主要取決于沉積表面狀態(tài)（材料、粗糙度和溫度等）、熔滴狀態(tài)（材料、尺寸、溫度和速度等）、表面-熔滴接觸條件（潤濕性、界面熱阻、界面重熔和界面反應(yīng)等）[9]。

再者，金屬熔滴與沉積表面間的界面重熔是決定沉積精度和結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵。前期研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔滴接觸界面溫度超過臨界檻值（熔點(diǎn)或固相線）時，重熔即發(fā)生。影響重熔的因素包括熔滴溫度、沉積表面溫度、沉積表面材料、基板厚度、已沉積層厚度等[10]。另外，噴墨打印過程中微小高溫金屬熔滴在大面積低溫固態(tài)表面上碰撞沉積，其冷卻速度可達(dá)到亞快速凝固（10～103 K/s）甚至快速凝固范疇（103～106 K/s）。沉積熔滴典型外觀形態(tài)為球冠狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部則形成細(xì)小快速凝固組織。沉積熔滴外觀形貌以及內(nèi)部微觀組織的形成與分布是熔滴沉積過程中的熱力學(xué)、動力學(xué)行為耦合作用的結(jié)果[11]。

4 金屬熔滴連續(xù)沉積過程及其影響

根據(jù)離散-堆積原理，噴墨打印過程實(shí)際上就是熔滴單元由點(diǎn)-線-面-體的三維累加過程，涉及質(zhì)量單元的有序添加和移動點(diǎn)熱源的周期性作用，這與傳統(tǒng)塊狀材料整體凝固過程差異較大。根據(jù)微滴沉積方向與沉積表面移動方向間的關(guān)系，熔滴連續(xù)沉積行為主要分為層間沉積（Columnar Deposition）和層內(nèi)沉積（Sweep Deposition）兩種基本模式，動量傳輸和熱交換變化規(guī)律各不相同[8]。根據(jù)噴射間隔時間與熔滴凝固時間兩者的對比關(guān)系，層間沉積模式可分為高頻噴射沉積和低頻噴射沉積兩種。在高頻噴射沉積模式下，沉積熔滴凝固時間大于噴射間隔，熱輸入大于熱輸出，即出現(xiàn)層間熱累積效應(yīng)，甚至造成沉積體垮塌，外形尺寸無法保證，微觀組織也會惡化為鑄態(tài)組織。在低頻噴射沉積模式下，沉積熔滴凝固時間要小于噴射間隔，熱輸入小于熱輸出，即出現(xiàn)層間熱耗散效應(yīng)，造成沉積體溫度會逐漸下降，甚至導(dǎo)致界面重熔難以發(fā)生，熔滴間的冶金結(jié)合無法形成，最終成型件力學(xué)性能受到影響。只有當(dāng)沉積熔滴凝固時間與噴射間隔時間相等時，系統(tǒng)內(nèi)熱輸入和熱輸出維持平衡，此時噴射頻率為最優(yōu)，其值會隨沉積過程而實(shí)時改變。相對于層間沉積，層內(nèi)沉積過程中的傳熱規(guī)律相對簡單，針對此模式的研究主要集中于成型結(jié)構(gòu)規(guī)律、掃描路徑規(guī)劃和相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化等等。總的來說，在連續(xù)沉積過程中，實(shí)現(xiàn)熔滴噴射產(chǎn)生頻率、熱力學(xué)狀態(tài)，以及動力學(xué)狀態(tài)間的匹配，是精確控制產(chǎn)品外觀形貌、微觀組織和整體性能等主要難點(diǎn)和突破點(diǎn)所在[12]。但是，目前針對均勻金屬微滴連續(xù)沉積過程中涉及的傳熱、凝固和相變等微觀科學(xué)問題的相關(guān)研究仍不深入、系統(tǒng)，沉積態(tài)金屬零件微觀組織的形成與演化機(jī)理尚不明確。

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