基于连续熔融液滴传输的M3DPen金属3D打印技术
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
本文讨论的是金属3D打印技术。文章提出了一种基于电弧等离子体(Arc Plasma)热源的M3DPen金属3D打印技术，利用熔融金属的表面张力实现连续材料沉积，而不受重力下降的限制。这种方法与传统的基于电弧的金属积层制造不同之处，在于它控制了点对点沉积路径之间的凝固和冷却时间，从而实现一次性连续金属3D打印自由支撑和悬臂结构。另外，文章还探讨了冷却时熔融金属的热差异影响下的机械性能和微观组织。
M3DPen设备及制程
M3DPen制程的工作原理
1. M3DPen打印笔使用电弧等离子体(Arc Plasma)热源加热金属丝，使其熔化。
2. 熔融金属通过笔尖喷出，利用表面张力实现连续材料沉积。
3. 由于沉积路径之间的凝固和冷却时间被控制，因此可以实现一次性连续金属 3D打印自由支撑和悬臂结构。
4. 在M3DPen打印过程中，电弧等离子体热源提供了足够的能量来使金属丝熔化并形成一个小型的熔池。
5. 当金属丝被推进到这个小型的熔池中时，它会迅速融化并形成一个小型的液滴。
6. 液滴通过笔尖喷出并附着在基板上，然后快速凝固形成一个新的固体层。
CFD数值模拟
1. 本文使用CFD软件FLOW-3D模拟M3DPen打印过程中熔融金属的凝固过程。
2. 通过模拟分析证明了M3DPen打印过程中熔融金属的稳定沉积。
3. 文章提供了M3DPen中熔融金属的沉积和凝固的3D瞬态分析结果。
4. 分析结果有助于更好地理解M3DPen打印过程中熔融金属的行为和特性。
温度梯度和生长速率对凝固微观组织和机械性能的影响
独立3D结构的连续制造
M3DPen可以实现连续金属3D打印自由支撑和悬臂结构。
下图展示了使用M3DPen连续金属打印的螺旋结构，以及用于制造螺旋结构的连续金属沉积路径。该螺旋结构具有80毫米的半径和200毫米的螺距。
结论
1. 未来将进一步优化M3DPen制程，以实现更高的沉积效率和更大规模的生产。
2. 研究不同金属材料在M3DPen过程中的行为和性能，以扩展其应用范围。
3. 通过对凝固微观组织和材料性能的深入研究，了解M3DPen过程中不同参数对材料性能的影响。
4. 比较M3DPen和其他金属AM技术之间的差异和优缺点，以确定最适合特定应用场景的技术。
