3--齐乐华--基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

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1、中国科学:信息科学2015年第45卷第2期:212–223www.scichina.cominfo.scichina.com3D打印技术及应用专题
评述基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术齐乐华¬•*,钟宋义¬,罗俊¬•¬西北工业大学机电学院,西安710072•西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,西安710072*通信作者.E-mail:qilehua@nwpu.edu.cn收稿日期:2014–08–06;接受日期:2014–10–23;网络出版日期:2015–01-21国家自然科学基金(批准号:51105314)、国防基础科项目(批准号:A1120133026)和高

2、等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20126102110022)资助项目摘要均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层“堆积”而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实

3、践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.关键词金属液滴喷射均匀微滴连续式喷射按需式喷射3D打印1引言基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术是由美国Orme在1993年提出并发展起来的一种增材制造技术[1].它是基于离散

4、叠加"的成型原理,通过液滴喷射器产生均匀金属微滴,同时控制三维基板运动,使金属微滴精确沉积在特定位置并相互融合、凝固,逐点逐层堆积",而实现复杂三维结构的快速打印.该技术具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功

5、能一体化零件制造等领域具有广泛应用前景[2;3].目前,非金属材料(如墨水、聚合物溶液)微滴喷射技术已有成熟应用[4],但在金属材料喷射和三维实体结构打印方面,还有较多的技术难题需要解决.金属材料熔点高,粘性和表面张力大,部分金属还具有较强的腐蚀性,以往成熟的非金属材料喷射装置及控制方法很难直接用于金属材料的喷射和打印成型,需开发新型耐高温、耐腐蚀的喷射装置;另一方面,在金属微滴喷射沉积过程中,金属微滴铺展、凝固等受到微滴飞行速度、微滴温度、基板温度等多因素的耦合作用,需从实验和理论两方面研究各参数对微滴熔合状态、内部微观组织演变规律等的影响,以保证成型件的外部形貌、内部质量及力学

6、性能.此外,杂质过滤、成型过程监控等也是需要解决的关键技术.本文在介绍金属微滴喷射技术原理与分类的基础上,结合笔者研究实践和国内外研究现状,重点阐述了金属液滴喷射中所涉及的关键技术及难点,并对未来发展趋势和研究方向进行了展望.引用格式:齐乐华,钟宋义,罗俊.基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术.中国科学:信息科学,2015,45:212{223,doi:10.1360/N112014-00219中国科学:信息科学第45卷第2期图1均匀金属微滴产生与喷射原理图Figure1Schematicofdropletgenerator.(a)CIJ;(b)DOD-pneumaticdriven

7、;(c)schematicofdropletformationinDOD表1金属微滴喷射技术分类及特点Table1ClassificationandcharacteristicsofuniformmetaldropletejectingtechnologyClassificationDrivenmodeEjectionfrequencyVelocityofdropletEfficiencyContinuous-ink-jetPiezoelectricdriven544kHz1020[5]HighPiezoelectricdriven,<2kHz510LowDrop-on-demand

8、Pneumaticdriven,Mechanicalvibration2金属微滴喷射技术原理及分类根据均匀金属液滴产生原理和控制方式的不同,金属液滴喷射技术可以分为连续式喷射(continu-ous-ink-jet,CIJ)(图1(a))和按需式喷射(drop-on-demand,DOD)(图1(b))两大类,其技术特点如表1所示.连续式均匀金属微滴喷射是在持续压力的作用下,使喷射腔内流体经过喷孔形成毛细射流,并在激振器的作用下断裂成为均匀液滴流.该技术最早是由美国麻