液态金属3D打印

喷墨式打印是一种成熟的商业化影像复 制功能，而这个技术的原理也可应用于特定的打印工艺和增材制造(additive manufacturing)领域。

目前，传统的喷墨技术已经被应用在各种不同的领域。在更换介质后，喷墨打印技术还可以应用于聚合物、细胞、甚至金属打印。

目前，大部分3D金属打印的应用，采用沉积金属粉末经过外部能量源（如激光或电子束）的作用，熔化后再形成固体。但是这类型的工艺在制造成本与加工复杂度上仍然存在缺点。例如：在3D打印之前，必须要先制备金属粉末，才能开始进行后续加工。

新的工艺开发基于磁流体动力学(magnetohydrodynamic, MHD)，是喷墨技术应用在一个可移动基材上的3D金属增材制造方法。为了验证这个工艺的各个部分是否可行，进行了多项模拟测试。

为了简化，这个研究被分为两个部分。

Part1:

MHD分析用来估算由洛伦兹力(Lorentz force)在液滴内产生的压力，然后作为FLOW-3D模型的边界条件。这个模型被用来研究液滴喷射动力学。

Part2:

为了确定理想的液滴沉积条件，进行了FLOW-3D参数化分析。

工艺装置如图1所示，由一个线圈环绕着喷射室，通过电脉冲产生一个瞬时磁场，利用磁场作用于液态金属中，并在其中诱发一个循环瞬时电场。电场产生一个循环电流密度，它与瞬态磁场反向耦合，并在腔内产生一个磁流体动力洛伦兹力密度。力的径向分量产生一个压力，将液态金属液滴从孔口喷出。喷出的液滴流向基体，在该处液滴聚结和凝固，形成扩展的固体结构。

图1

透过移动的基体逐层打印，就能制作出任意形状的3D打印成品，进而实现精确的打印沉积制程。这项技术已经由维德系统公司（www.vadersystems.com）获得专利并商业化，商标为MagnetoJet。

MagnetoJet技术的优点是能够以相对较高的沉积率和较低的材料成本打印任意形状的三维金属结构。此外，独特的金属晶粒结构的存在表示，打印出的零件在机械性能上可以比传统方式打印的更好。

维德系统3D打印的一个关键部分是由一个喷嘴和一个螺线管线圈组成的打印头组件。液化作用发生在喷嘴的上半部分，下部包含一个亚毫米级的孔口，直径从100µm到500µm不等。水冷螺线管线圈环绕着孔口室（冷却系统在图中未绘制）。如图1所示。

为了研究喷射室的几何形状对液体金属填充行为以及液滴喷射动力学的影响，目前已经针对喷头设计进行了多次版本更新开发。这些原型系统已经成功地打印了普通铝合金固体三维结构（图2）。

图2 铝制3D打印制品（维达系统公司提供）

液滴的直径从50微米到500微米不等，取决于孔径、几何形状、喷射频率和其他参数。已经实现了从40-1000赫兹的持续液滴喷射率，短时爆发可达5000赫兹。

在MagnetoJet打印过程中，液滴以1-10米/秒的速度喷出，这取决于电压脉冲参数。液滴在飞行过程中会略微冷却，然后冲击基材。

控制液滴在基材上的图案化和凝固的能力对于形成精确的3D固体结构至关重要，而使用高精度的3D运动基座，可以实现精确的液滴放置图案化。

然而，控制凝固以生成低孔隙率与不易辨识的分层外观是最大挑战，因为它涉及了：

通过参数优化，使液滴尺寸减少以提高打印物品的精度，同时必须保留足够的热能，以促进与相邻液滴和层之间更平滑的凝聚。

在这个工艺中，温度控制的关键在于将加热的基材保持在低于但相对接近熔点的温度。这可以减少液滴与其周围环境之间的温度梯度，减缓液滴的热量扩散，从而促进聚结和凝固，形成一个光滑的三维固体。研究采用FLOW-3D进行了参数化的CFD分析，以探索这种方法的可行性。

图3 熔融金属液滴喷出模拟

实验研究了加热的基体上层内液滴的凝固，该过程可以用液滴之间中心到中心的间距以及液滴喷射频率的函数进行描述。

在这个分析中，液态铝的球形液滴从3毫米的高度冲击加热的不锈钢基体。图4显示了当液滴分离距离以50微米为单位，从100微米到400微米变化时，液滴的聚结和凝固，喷射频率保持500赫兹不变。

图4

当液滴分离超过250微米时，沿线会出现带有尖端的凝固段。在分离距离为350微米或更大时，这些段变得不连续，并且带有未填充的间隙。这对于形成光滑的固体结构是不理想的。

研究中对较低温度（如600K、700K等）下的基体进行了类似的分析。据观察，虽然3D结构可以打印在较冷的基体上，但其分层现象较为明显，例如后续的沉积金属层之间缺乏强聚结。这是由于沉积液滴中热能损失率的增加。因此，基材温度的最终选择可以根据给定应用中物体的可接受打印质量来决定，甚至可以动态调整基材温度，以得到较佳的热扩散（因为打印过程中，成品的尺寸会随时间变大）。

图5显示了打印在加热基体上的杯子结构。在打印过程中，根据打印部件的实时高度，加热基体的温度从733K（430℃）逐渐升高到833K（580℃）。这样做是为了克服随着物体表面积的增加，局部热扩散的增加。铝的高导热性使得这一点特别困难，因为必须快速调整局部热梯度，否则温度会迅速降低并降低层内聚结。

图5

根据仿真结果，维德系统开发的磁流体动力液态金属3D打印机能够打印任意形状的3D固体金属结构。这些结构是通过亚毫米级液滴的逐层图案化沉积而成功打印的。一个孔口可以实现超过540克/小时的材料沉积率。

这项技术的商业化进展顺利，但在实现最佳打印性能方面仍存在许多挑战，包括产量、效率、分辨率和材料选择。