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    均勻金屬微滴噴射技術是基于噴墨打印的原理，由美國Orme在1993年提出并發(fā)展起來的一種增材制造技術（3D打印技術），它是基于“離散-疊加”的成型原理。通過液滴噴射器產(chǎn)生均勻金屬微滴，同時控制三維基板運動，使金屬微滴精確沉積在特定位置并相互融合、凝固，逐點逐層“堆積”，而實現(xiàn)復雜三維結構的快速打印。該技術具有噴射材料范圍廣、無約束自由成形和無需昂貴專用設備等優(yōu)點，在微小復雜金屬件制備、電路打印與電子封裝以及結構功能一體化零件制造等領域具有廣泛應用前景。

為進一步了解均勻金屬微滴噴射打印研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以及國內高校3D打印技術進展與技術優(yōu)勢，筆者來到西工大齊樂華研究團隊實驗室，就均勻金屬微滴噴射打印技術對西北工業(yè)大學機電學院教授、博士生導師齊樂華進行了專訪。

“時勢”造就科研成果

齊樂華告訴筆者，在上世紀90年代，國際上就已經(jīng)高度重視噴墨打印這一技術。這一技術最先由美國麻省理工學院和加州大學歐文分校基于Raylegih射流現(xiàn)象不穩(wěn)定而提出的。后來，各個國家利用這一技術進行不同的研究。例如，美國東北大學采用這一技術，進行鎂的生產(chǎn)；加拿大則主要用來制造生產(chǎn)薄壁零件的設備；日本大阪大學將噴墨打印與冶金相結合，生產(chǎn)具有特殊性能組織的器件；荷蘭的科學機構利用這一技術高熔點的特點，來制造精美的首飾品等等。

而齊樂華之所以走進這個領域，是時勢造就的。2003年西工大院系合并，而作為學科帶頭人她必須開拓新方向，建立新的學科培養(yǎng)點。在這樣的情況下，她帶領團隊查閱大量國內外資料，選出了幾個較新的研究方向。而微滴噴射涉及液固態(tài)加壓成型原理，齊老師本身又是學金屬基復合材料半固態(tài)成形技術與應用的，這點是她的優(yōu)勢，那時又恰逢軍工行業(yè)提出武器要向輕量化，小型化發(fā)展。因此，她提出了微滴噴射打印微小型武器裝備及維修的研究方向。當時的她也不曾想到這一技術會在10年后有如此巨大的應用，還與時下最火的3D打印接軌。

據(jù)筆者了解，她的團隊在熔融噴射裝備研發(fā)、熔融微滴噴射機理、熔合機理、路徑規(guī)劃和金屬微滴與粉聯(lián)合噴射等方面取得了多項技術突破，形成了自主知識產(chǎn)權的核心關鍵技術，并且研究成果在雷達波導管件、鋁合金微小異形件、超薄壁多孔蜂窩結構件和微電子分裝等眾多領域得到應用。不僅有效推動了我國低成本金屬3D打印關鍵技術的研發(fā)，也推動了3D打印行業(yè)的發(fā)展。

長足跋涉 不斷攻克技術難題

微滴噴射打印技術涉及到液滴與液滴之間的相互融合、凝固量、成分遷移，微流體的控制等問題，包括不同溫度下，金屬均勻液滴的穩(wěn)定噴射，液態(tài)金屬在噴射過程中易堵塞、氧化等問題。以及噴射高熔點的液滴的均勻穩(wěn)定性，直接沉積時液滴的大小，柔性化的制造設備，這些都是需要攻克的技術難題。經(jīng)過長期探索研究，齊老師團隊的研究成果主要包括以下三方面。

第一，微滴噴射裝置。針對金屬液滴的堵塞、氧化、黏附等問題。根據(jù)不同的應用領域，分別開發(fā)出氣壓脈沖驅動式、機械振動式、硬力波驅動式多種噴頭，可以噴射出均勻的鉛合金、不同的金屬液滴。此外，開發(fā)出像電子焊料的設備、鋁銅的設備、多材質的聯(lián)合打印設備，能夠解決低氧環(huán)境的問題，有效控制均勻金屬液滴噴射。另外，進行了有效控制軟件的開發(fā)。

第二，路徑規(guī)劃。通過對微觀形帽分析，掃描布局的優(yōu)化，得到質密的組織，然后對液滴與液滴之間組織放大，對融合區(qū)進行研究，對其進行良好控制和工業(yè)優(yōu)化。防止出現(xiàn)間隙空洞，熱裂紋等缺陷。通過對控制策略方面的研究，最終成功制定出多種類型的微小件，如雷達上用的波導管件，現(xiàn)散熱器，多孔蜂窩結構件等。

第三，金屬微滴與粉聯(lián)合打印。齊樂華告訴筆者，這是在國家863重點項目的支持下進行的研究，主導思想是把超聲振動給粉與金屬粉末、液滴噴射，兩種技術相結合，通過這樣的原理，開發(fā)出的這樣一臺實驗平臺，可以直接對粉體與液體噴射聯(lián)合沉積。

回顧這10多年的研究歷程，她深深地松了一口氣，告訴記者，他們真的是從無到有，從研制設備到最后打印成型，從最初只有“211”經(jīng)費支持，到最后有航天基金、國家自然科學基金、青年基金、“863”項目等經(jīng)費支持，才一步一步走到今天，才能夠逐步走向產(chǎn)學研結合。她邊說邊拿出最初與現(xiàn)在打印的產(chǎn)品，讓筆者從直觀上看到這一點一滴的進步。

當年，她申請這一課題時，遭到國內專家質疑，而她和她的團隊從未放棄，一步一個腳印，踏踏實實做科研，最終用成果讓曾經(jīng)質疑的專家折服。

齊樂華說，目前有關3D打印的相關報道中幾乎很少提到微滴噴射打印這一技術，炒得比較火熱就是激光打印，金屬微滴噴墨打印雖小眾化，但在它的優(yōu)勢領域方面，比如，微電子封裝、微電子機械制造、材料成型等方面，具有很大的應用前景。與其他3D打印技術相比，微滴噴射打印技術具有一定的優(yōu)勢，一是成本低。不需要專業(yè)的昂貴設備，只需要把金屬直接熔化，再離散為均勻的液滴進行有效地控制；二是具有柔性化的特點?？梢宰鰪碗s件等，如果有多個噴頭，可以打印多種材料的器件；三是材料范圍廣。即可實現(xiàn)微量金屬材料如銅、鋁合金、錫鋁合金的噴射打印。

這些年她和她的團隊不斷在拓展微滴噴射的應用主要是領域，比如，電子封裝、小型電路、散熱器以及現(xiàn)在比較火的太空制造等等。目前，金屬噴墨打印技術的應用主要集中在兩個方面，一是金屬件直接成型，即微滴噴射技術產(chǎn)生的金屬熔滴尺寸均勻、飛行速度相近，通過對工藝參數(shù)有效控制，可以實現(xiàn)沉積制作形狀和內部組織控制，因此在復雜金屬件直接成型方面具有獨特優(yōu)勢。加州大學Orme等率先將金屬微滴連續(xù)噴射技術應用于鋁合金管件地直接成型，其內部晶粒尺寸均勻細?。?0μm量級），抗拉強度和屈服強度與鑄態(tài)相比，提高約30%。

另一方面是電子封裝/電路打印。連續(xù)式微滴噴射技術可高效率制備均勻細小金屬顆粒，在充電偏轉裝置控制下，沉積精度可達±12.5μm量級，但是由于其不能按需產(chǎn)生液滴，所以多用于焊接制備和簡單形狀電路打印，而按需式噴射技術可實現(xiàn)微滴定點沉積，因此在焊接打印、電子封裝、復雜結構電路打印方面更具優(yōu)勢，美國Microfab公司已實現(xiàn)焊點打印商業(yè)化應用。

電路超級電容電極

齊樂華說，面向不同應用領域的噴射沉積裝備研究，特別是用于噴射不同高溫金屬材料噴射裝置的開發(fā)是未來的研究方向。均勻金屬微滴穩(wěn)定噴射沉積是該技術能否得到廣泛應用的關鍵，由于不同金屬材料的物性相差很大，為實現(xiàn)其穩(wěn)定噴射，需在研究工藝參數(shù)對不同材料噴射過程影響規(guī)律的機車上，設計合適的噴射裝置，開發(fā)出適用于不同金屬材料噴射的柔性化3D打印設備。如果金屬液滴噴墨打印效率能夠得到很大的提高，相信未來這一技術會在更多的領域具有廣泛應用前景。

齊樂華，西北工業(yè)大學機電學院教授、博士生導師、全國模范教師、全國百篇優(yōu)秀博士論文獲得者，現(xiàn)任機械制造及其自動化學科負責人，西北工業(yè)大學學術委員會委員，主要從事金屬基復合材料半固態(tài)成形技術與應用，均勻液滴噴射3D打印及微納成形技術，制造過程仿真與智能控制和機電一體化等方面的研究工作。并先后主持國家自然基金，863重點項目等科研課題20余項，國內外發(fā)表學術論文280余篇。