2.8　熔化液滴喷射沉积成型（DMM）

2.8.1　熔化液滴喷射沉积成型工作原理

金属构件熔化液滴喷射沉积成型又称为基于液滴的金属制造（droplet-based metal manufacturing，DMM）、基于均匀金属微滴喷射的3D打印等，它是一种材料喷射增材制造工艺。其原理是将金属材料置于坩埚（或加热器）中熔化，然后在脉冲压电驱动力或脉冲气压力的作用下，使金属熔化液从小喷嘴射出并形成熔化液滴，选择性地沉积并凝固于工作台的基板上，逐步堆积成型为3D金属构件，如图2-62所示。这种成型方式没有在基板上形成熔池的过程，只依靠熔化液滴本身的热量使其与基板结合的界面发生局部重熔，凝固后形成冶金结合，而且熔化液滴的尺寸很小，冷却与凝固速度快，所得成型件的微观组织细小、均匀。

图2-62　熔化液滴喷射成型原理

金属构件熔化液滴喷射沉积成型不需昂贵的能源，成型所用打印机的成本较低，特别适合于高能束反射率高的金属构件直接成型。金属构件熔化液滴喷射沉积成型工艺的喷射方式有多种形式，可以采用压电器件驱动，通过改变偏转板的电场力可实现连续式均匀喷射；也可以采用气压直接驱动的按需可控喷射等。

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省理工学院和美国加州大学欧文分校于20世纪90年代基于Rayleigh射流线性不稳定理论提出的。如图2-62（a）所示，坩埚内熔体先在气压作用下流出喷嘴形成射流，并同时由压电陶瓷产生周期性扰动。当施加扰动的波长大于射流径向周长时，射流内部产生压力波动，结合表面张力的作用，射流半径发生变化。当扰动幅度等于射流初始半径时，射流断裂形成微滴。研究表明，当对射流施加波数k约为0.697的正弦波扰动时，可产生均匀金属液滴。由于微滴产生速率较高，需在射流断裂后经过充电、偏转电场来控制其飞行轨迹与沉积位置。

按需式金属微滴喷射是利用激振器在需要时产生压力脉冲，改变腔内熔体体积，迫使流体内部产生瞬间的速度和压力变化驱使单颗熔滴形成。相较于连续式微滴喷射技术，按需式喷射时一个脉冲仅对应一颗熔滴，因而具有喷射精确可控的优点，但喷射速度远低于连续式喷射。图2-62（b）所示为按需式喷射金属微滴形成的过程，驱动器按需产生脉冲压力挤压腔内熔液，熔液受迫向下流动形成液柱，在腔内压力、表面张力作用下，更多的熔液流出、液柱伸长，逐渐形成近似球形。当腔内压力减小后，喷嘴出口处流体的速度将小于先期流出流体的速度，导致液柱发生颈缩并断裂成单颗熔滴。

2.8.2　熔化液滴喷射沉积成型影响因素

金属熔化微滴喷射沉积成型质量主要包括制件尺寸精度、表面质量、内部质量等，分层厚度、扫描步距、熔滴温度、基板温度等工艺参数对成型件质量有较大影响。零件沉积方向上的尺寸精度主要受分层厚度的影响：分层切片厚度越小，零件模型分层切片后获得的层面数目越大，零件沉积方向上的尺寸增大；相反，分层厚度越大，就会使得零件分层切片后获得的层面数越小，进而导致零件沉积方向上的尺寸缩小。通过试验和理论推导，在确定单颗熔滴铺展高度后，可对最优分层厚度进行预测。扫描步距是影响制件外观形貌和内部质量的重要因素之一。不同扫描步距下微滴间可能产生搭接现象：当扫描步距过大时，熔滴间无法有效搭接成型实体；当扫描步距过小时，熔滴间发生过度搭接而隆起。对不同扫描步距下成型的制件内部进行观察，当搭接率过大或过小时，内部均会产生孔洞。可以采用基于体积恒定法的最优化步距算法来确定合适的扫描步距。微观孔洞和冷隔属微滴喷射沉积件内部常见的微观缺陷，主要受熔滴温度、基板温度等的影响：熔滴温度较低时，液相分数较小，熔滴间搭接间隙难以填充完全，形成间隙孔洞。当基板温度过低时，熔滴在较短时间内就会完全凝固，可供熔滴铺展以及填充搭接间隙的时间较短，也会引起间隙孔洞。除间隙孔洞外，在熔滴最后凝固的区域还会存在凝固收缩孔洞，此类孔洞通常难以完全消除，因其尺寸小，数量少，对整体性能影响不大。此外，熔滴温度与基板温度的合适匹配也是保证熔滴间良好重熔及冶金结合的必要条件。可以通过采用有限单元法和单元生死技术对沉积过程进行动态模拟，以获得金属沉积过程中熔滴温度和基板温度的最佳匹配值。