液态金属3D打印与快速成型在液相环境中的应用

传统金属3D打印的冷却环境往往是空气或真空，可以称之为“干式打印”，其冷却速度较慢。为加快金属件的冷却，笔者实验室提出液相冷却下的液态金属3D打印方法及技术思想［21］，其金属的沉积成型过程系在液相流体中完成，液相流体可以是水、无水乙醇、酸或碱类电解液。

对液相3D打印方法来说，液滴的形成和沉积是其中的核心问题。图5.21a展示了液滴形成的过程［21］，可以看出当液滴平均速度很小（3.34 mm/s）时，由于金属墨水表面张力高，会在针头下端形成较大的圆球液滴，随着液滴下落速度的增加，相邻液滴的距离会越来越小并最终连成一条线，图5.21b展示了这一有趣的长尾巴蝌蚪形状的液滴生成现象。

图5.21　液相流体中液态金属液滴形成的动态过程［21］

a.水冷却流体中的金属液滴形成过程，液滴下落平均速度为3.34 mm/s；b.无水乙醇冷却流体中由于快速注射而产生的长尾巴蝌蚪状金属液滴，液滴下落平均速度为7.98 mm/s。

以金属柱的打印来说明金属结构的液相成型过程：当一滴液态金属滴在已成型金属柱的顶端时，柱的顶端吸热熔化并与液滴熔合，在周围流体的冷却作用下，液滴迅速凝固，从而成为已打印金属柱新的顶端，随着液滴的不断下落，金属柱也在不断向上“生长”，图5.22展示了这种打印过程［21］。

图5.22　无水乙醇冷却流体中的液滴沉积过程［21］(www.xing528.com)

（液滴下落平均速度为5.65 mm/s）

金属液滴直径和液滴下落时间间隔的关系如图5.23a所示［21］。可以看出，这一关系曲线近似呈线性。下落液滴的情形如图5.23b所示，其中时间间隔从2.1 s变化到0s。随着时间间隔的变小，液滴形状由圆球形变为梭形，相邻液滴逐渐连为一体。当时间间隔变为0s时，滴射喷射转变就完成了。比热性质［21］，其中λair、ρair、ηair和cair分别为干燥空气的热导率、密度、黏度和比热。可以看出，液滴在水和无水乙醇中所受浮力分别是在空气中浮力的828.22倍和655.02倍，较大的浮力对液滴的下落起到了缓冲作用。水和无水乙醇的相对热导率分别是23.05和9.27，两者的相对比热分别是4.16和2.41，这些优良性能使得液态金属液滴在液相流体中能够快速冷却，因此金属结构也得以迅速成型。

图5.23　液滴尺寸的影响因素［21］

a.液滴直径和下落液滴时间间隔的关系；b.照片：a到d相邻液滴时间间隔从2.1 s（滴射）到0s（喷射）。所用针头内径为0.26 mm，冷却流体为无水乙醇。

表5.1　水、无水乙醇和干燥空气的性质对比（1 100 kPa，20℃）［21］