熔融沉积式金属3D打印的原理和喷头结构分析

进行三维金属打印，首先需要选择合适的墨水材料，墨水应当是熔点高于室温的低熔点金属，可以是镓基、铋基、铟基合金，也可以向这些金属中添加铜、银等纳米粒子乃至丝网材料来改变墨水的性质［4-7］。如下以Bi35 In48.6 Sn15.9 Zn0.4为墨水来说明气压式金属打印方法。

Bi35 In48.6 Sn15.9 Zn0.4的熔点高于室温且过冷度又较小，因此在降温时墨水会在50～60℃温度区间内快速冷却，其熔化焓和比热容的测量值分别为28.94 J/g和0.262 J/（g·℃），均远小于其他常见金属，如铁的熔化焓和比热容的测量值分别为272.2 J/g和0.46J/（g·℃），铝的熔化焓和比热容的测量值分别为393.0 J/g和0.88 J/（g·℃）。Bi35 In48.6 Sn15.9 Zn0.4的上述性质使它在升降温过程中吸放较少的热量即能发生液固相转变，是一种理想的低熔点金属打印墨水。

为了实现金属墨水的顺利滴出，注射针筒和喷头需要一直处于加热状态，以保证其温度高于墨水的熔点。打印喷头的结构如图6.2所示，打印针筒放置于一个铜加热筒中，加热筒的外面缠绕一层康铜电阻丝，使用一台温度调节器，通过改变电阻丝输入功率来控制加热筒的温度，使其始终高于墨水熔点，打印喷头的实物如图6.2的插图所示。

气压式3D打印方法的针筒压强分析如图6.3所示。假设针筒中液态金属上、下凸液面的曲率半径分别为R和r，液态金属墨水的表面张力、密度、重力加速度和大气压分别为σ、ρ、g和P0，S1和S2分别是液态金属上、下凸液面上的中心点，S1和S2之间的距离为h。根据流体静力学基本方程，S1和S2的气压关系可以表达为

图6.2　低熔点金属熔融沉积式打印原理和喷头结构（插图为打印喷头实物，比例尺为10 mm）［8］

图6.3　气压式金属打印方法的针筒压强分析［8］

此外，由于液面之下的压力等于液面之上的压力与大气压之和，因此S1和S2处的压力分别表示为(www.xing528.com)

将方程（6-2）和（6-3）代入方程（6-1）中，得到

显然，由于h＞0，R应大于r。当金属液面之上的气压从P0升高至P0+P时，为了保持系统压力平衡，r应减小。随着P的增大，r越来越小，在打印喷头处形成液态金属液滴，最终由于重力的作用，液滴下落，针头处随之又形成下一个液滴。

如果设置一定的控制程序，让打印喷头按照预设的路径运动，使得金属液滴层层堆叠，最终将形成目标打印物体。图6.4为依据气压式熔融沉积原理制作的金属3D打印机外观及内部喷头的实物图，表6.1为该打印机的技术参数。图6.5展示了3个依照该打印方法制作的金属结构。通过调整针筒内气压、移动速度、喷头距离基底的高度等参数可以改善打印分辨率，这是未来此项工作的一个重点。

图6.4　熔融沉积型金属3D打印机外观及内部喷头实物［2］

表6.1　熔融沉积型金属3D打印机技术参数