均勻金屬微滴噴射技術(shù)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(shù)（3D打印技術(shù)），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(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速打印。該技術(shù)具有噴射材料范圍廣、無約束自由成形和無需昂貴專用設(shè)備等優(yōu)點，在微小復(fù)雜金屬件制備、電路打印與電子封裝以及結(jié)構(gòu)功能一體化零件制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)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(nèi)高校3D打印技術(shù)進展與技術(shù)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(shù)對西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)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(shù)。這一技術(shù)最先由美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)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(shù)進行不同的研究。例如，美國東北大學(xué)采用這一技術(shù)，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(shè)備；日本大阪大學(xué)將噴墨打印與冶金相結(jié)合，生產(chǎn)具有特殊性能組織的器件；荷蘭的科學(xué)機構(gòu)利用這一技術(shù)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(lǐng)域，是時勢造就的。2003年西工大院系合并，而作為學(xué)科帶頭人她必須開拓新方向，建立新的學(xué)科培養(yǎng)點。在這樣的情況下，她帶領(lǐng)團隊查閱大量國內(nèi)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(xué)金屬基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)與應(yīng)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(dāng)時的她也不曾想到這一技術(shù)會在10年后有如此巨大的應(yīng)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(shù)突破，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)，并且研究成果在雷達波導(dǎo)管件、鋁合金微小異形件、超薄壁多孔蜂窩結(jié)構(gòu)件和微電子分裝等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。不僅有效推動了我國低成本金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)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(shù)難題

微滴噴射打印技術(shù)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(shè)備，這些都是需要攻克的技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域，分別開發(fā)出氣壓脈沖驅(qū)動式、機械振動式、硬力波驅(qū)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(shè)備、鋁銅的設(shè)備、多材質(zhì)的聯(lián)合打印設(shè)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(zhì)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(dǎo)管件，現(xiàn)散熱器，多孔蜂窩結(jié)構(gòu)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(dǎo)思想是把超聲振動給粉與金屬粉末、液滴噴射，兩種技術(shù)相結(jié)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(shè)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(xué)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(xué)研結(jié)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(dāng)年，她申請這一課題時，遭到國內(nèi)專家質(zhì)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(zhì)疑的專家折服。

齊樂華說，目前有關(guān)3D打印的相關(guān)報道中幾乎很少提到微滴噴射打印這一技術(shù)，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(lǐng)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(yīng)用前景。與其他3D打印技術(shù)相比，微滴噴射打印技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，一是成本低。不需要專業(yè)的昂貴設(shè)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。可以做復(fù)雜件等，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(yīng)用主要是領(lǐng)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(shù)的應(yīng)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(shù)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(nèi)部組織控制，因此在復(fù)雜金屬件直接成型方面具有獨特優(yōu)勢。加州大學(xué)Orme等率先將金屬微滴連續(xù)噴射技術(shù)應(yīng)用于鋁合金管件地直接成型，其內(nèi)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(shù)可高效率制備均勻細小金屬顆粒，在充電偏轉(zhuǎn)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(shù)可實現(xiàn)微滴定點沉積，因此在焊接打印、電子封裝、復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

電路超級電容電極

齊樂華說，面向不同應(yīng)用領(lǐng)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(shù)能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)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(shè)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(shè)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(shù)會在更多的領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

齊樂華，西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)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(xué)科負責(zé)人，西北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員，主要從事金屬基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)與應(yīng)用，均勻液滴噴射3D打印及微納成形技術(shù)，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(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文280余篇。