Liquid Metal 3D Printing

This article was contributed by V.Sukhotskiy1,2, I. H. Karampelas3, G. Garg 1, A. Verma1, M. Tong 1, S. Vader2, Z. Vader2, and E. P. Furlani1
1
University at Buffalo SUNY, 2Vader Systems, 3Flow Science, Inc.

이 연구의 초점은 3D 고체 금속 구조의 인쇄에 잉크젯 기술의 확장에 있습니다 [3, 4]. 현재 대부분의 3D 금속 인쇄 프로그램에는 금속 물체를 형성하는 레이저 [6] 또는 전자빔 [7]과 같은 외부 지향 에너지 소스를 이용한 금속 분말 소결 또는 용해를 포함합니다. 그러나, 이러한 방법은 비용 및 공정 복잡성, 예를 들어, 3D 인쇄 공정에 앞서 분말을 생성하는 시간 및 에너지 집약적 기술에 대한 필요성과 같은 단점을 갖고 있습니다.

이 기사에서는 움직이는 기판에서의 MHD (magnetohydrodynamic) Drop-on-demand 방출 및 액체 방울 증착에 기반한 3D 금속 구조의 첨가제 제조에 대한 새로운 접근 방시에 대해 설명합니다.

이 과정의 각 부분을 연구하기 위해 많은 시뮬레이션을 수행했습니다. 단순화를 위해 이 연구는 두 부분으로 나누었습니다.

첫 번째 부분에서는 MHD 분석을 사용하여 프린트 헤드 내부의 로렌츠 힘 밀도에 의해 생성 된 압력을 추정한 다음 FLOW-3D 모델의 경계 조건으로 사용합니다. 그것은 방울 분사 동력학을 연구하는 데 사용되었습니다.
두 번째 부분에서는 FLOW-3D 파라 메트릭 분석을 수행하여 이상적인 액적 증착 조건을 확인했습니다.

모델링 노력의 결과는 위 그림에 표시된 장치 설계를 가이드하는데 사용되었습니다. 코일은 분사 챔버를 둘러싸고 전기적으로 펄싱되어 액체 금속을 투과시키고, 순환 루프를 유도하는 과도 자기장을 생성합니다. 그것 내의 일시적인 전기장. 전기장은 순환 전류 밀도를 발생 시키며, 이는 일시적인 전계에 다시 커플 링되고 챔버 내에서 마젠 토 히드로 다이나믹 로렌츠 힘 밀도를 생성한다. 힘의 반경 방향 성분은 오리피스에서 금속 액체를 배출하는 역할을하는 압력을 생성합니다. 방출된 금속 액체 방울은 기판으로 이동하여 합체되고 응고되어 확장된 견고한 구조를 형성합니다. 임의 형상의 3 차원 구조는 방출하는 금속 방울의 정확한 패턴화 증착을 가능하게하는 움직이는 기판을 사용하여 층별로 인쇄 할 수 있습니다. 이 기술은 MagnadoJet라는 상품명으로 Vader Systems (www.vadersystems.com)에 의해 특허 및 상용화되었습니다.

MagnetoJet 프린팅 공정의 장점은 상대적으로 높은 증착 속도와 낮은 재료 비용으로 임의 형상의 3D 금속 구조를 인쇄하는 것입니다 [8, 9]. 또한 고유한 금속 입자 구조가 존재하기 때문에 기계적 특성이 개선 된 부품을 인쇄 할 수 있습니다.

프로토타입 디바이스 개발

Vader Systems의 3D 인쇄 시스템의 핵심 구성 요소는 두 부분의 노즐과 솔레노이드 코일로 구성된 프린트 헤드 어셈블리입니다. 액체화는 노즐의 상부에서 발생합니다. 하부에는 직경이 100μm ~ 500μm 인 서브 밀리미터 오리피스가 있습니다. 수냉식 솔레노이드 코일은 위 그림에 표시된 바와 같이 오리피스 챔버를 둘러싸고있습니다 (냉각 시스템은 도시되지 않음). 다수의 프린트 헤드 디자인의 반복적인 개발은 액체 금속 배출 거동뿐만 아니라, 액체 금속 충전 거동에 대한 사출 챔버 기하적인 효과를 분석하기 위해 연구되었습니다. 이 프로토타입 시스템은 일반적인 알루미늄 합금으로 만들어진 견고한 3D 구조를 성공적으로 인쇄했습니다 (아래 그림 참조). 액적 직경, 기하학, 토출 빈도 및 기타 매개 변수에 따라 직경이 50 μm에서 500 μm까지 다양합니다. 짧은 버스트에서 최대 5000 Hz까지 40-1000 Hz의 지속적인 방울 분사 속도가 달성되었습니다.

전산 모델

프로토 타입 디바이스 개발의 일부로서, 프로토 타입 제작에 앞서 계산 시뮬레이션을 수행하여 성능, 즉 액적 방출 동역학, 액적 – 공기 및 액적 – 기판 상호 작용에 대한 설계 개념을 선별했습니다. 분석을 단순화하기 위해 CFD 분석뿐만 아니라, 전산 전자기 (CE)를 사용하는 두 가지 상보 모델이 개발되었습니다. 첫 번째 모델에서는 2 단계 CE 및 CFD 분석을 사용하여 MHD 기반의 액적 방출 동작과 효과적인 압력 생성을 연구했습니다. 두 번째 모델에서, 열 유동성 CFD 분석은 기판상의 물방울의 패터닝, 유착 및 고형화를 연구하기 위해 사용되었습니다.

MHD 분석에 이어 등가 압력 프로파일을 첫 번째 모델에서 추출하고, FLOW-3D 모델의 입력으로 사용하여 액적 배출 및 액적 – 기판 상호 작용의 일시적인 동력학을 탐구하도록 설계되었습니다. 플로우 – 3D 시뮬레이션은 액적 분사에 대한 오리피스 내부 및 주변의 습윤 효과를 이해하기 위해 수행되었습니다. 오리피스 내부 및 외부의 유체 초기화 레벨을 변경하고 펄싱 주파수에 의해 결정된 펄스 사이의 시간 간격을 허용함으로써, 크기 및 속도를 포함하여 방출 된 액 적의 특성 차이를 확인할 수있었습니다.

Droplet 생성

MagnetoJet 인쇄 프로세스에서, 방울은 전압 펄스 매개 변수에 따라 일반적으로 1 – 10m/s 범위의 속도로 배출되고 기판에 충돌하기 전에 비행 중에 약간 냉각됩니다. 기판상의 액적들의 패터닝 및 응고를 제어하는 ​​능력은 정밀한 3D 솔리드 구조의 형성에 중요합니다. 고해상도 3D 모션베이스를 사용하여 패터닝을 위한 정확한 Droplet 배치가 이루어집니다. 그러나 낮은 다공성과 원하지 않는 레이어링 artifacts가 없는 잘 형성된 3D 구조를 만들기 위해 응고를 제어하는 ​​것은 다음과 같은 제어를 필요로하기 때문에 어려움이 있습니다.

  • 냉각시 액체 방울로부터 주변 물질로의 열 확산,
  • 토출된 액 적의 크기,
  • 액적 분사 빈도 및
  • 이미 형성된 3D 물체로부터의 열 확산.

이들 파라미터를 최적화함으로써, 인쇄 된 형상의 높은 공간 분해능을 제공하기에 충분히 작으며, 인접한 액적들 및 층들 사이의 매끄러운 유착을 촉진하기에 충분한 열 에너지를 보유 할 것입니다. 열 관리 문제에 직면하는 한 가지 방법은 가열된 기판을 융점보다 낮지만 상대적으로 가까운 온도에서 유지하는 것입니다. 이는 액체 금속방울과 그 주변 사이의 온도 구배를 감소시켜 액체 금속방울로부터의 열의 확산을 늦춤으로써 유착을 촉진시키고 고형화하여 매끄러운 입체 3D 덩어리를 형성합니다. 이 접근법의 실행 가능성을 탐구하기 위해 FLOW-3D를 사용한 파라 메트릭 CFD 분석이 수행되었습니다.

액체 금속방울 응집과 응고

우리는 액체 금속방울 분사 주파수뿐만 아니라 액체 금속방울 사이의 중심 간 간격의 함수로서 가열된 기판에서 내부 층의 금속방울 유착 및 응고를 조사했습니다. 이 분석에서 액체 알루미늄의 구형 방울은 3mm 높이에서 가열 된 스테인리스 강 기판에 충돌합니다. 액적 분리 거리 (100)로 변화 될 때 방울이 973 K의 초기 온도를 가지고, 기판이 다소 943 K.도 3의 응고 온도보다 900 K로 유지됩니다. 실선의 인쇄 중에 액적 유착 및 응고를 도시 50㎛의 간격으로 500㎛에서 400㎛까지 연속적으로 유지하고, 토출 주파수는 500Hz에서 일정하게 유지 하였습니다.

방울 분리가 250μm를 초과하면 선을 따라 입자가 있는 응고된 세그먼트가 나타납니다. 350μm 이상의 거리에서는 세그먼트가 분리되고 선이 채워지지 않은 간극이 있어 부드러운 솔리드 구조를 형성하는데 적합하지 않습니다. 낮은 온도에서 유지되는 기질에 대해서도 유사한 분석을 수행했습니다(예: 600K, 700K 등). 3D 구조물이 쿨러 기질에 인쇄될 수 있지만, 그것들은 후속적인 퇴적 금속 층들 사이에 강한 결합의 결여와 같은 바람직하지 않은 공예품을 보여주는 것이 관찰되었습니다. 이는 침전된 물방울의 열 에너지 손실률이 증가했기 때문입니다. 기판 온도의 최종 선택은 주어진 용도에 대해 물체의 허용 가능한 인쇄 품질에 따라 결정될 수 있습니다. 인쇄 중에 부품이 커짐에 따라 더 높은 열 확산에 맞춰 동적으로 조정할 수도 있습니다.

FLOW-3D 결과 검증

위 그림은 가열된 기판 상에 인쇄된 컵 구조 입니다. 인쇄 과정에서 가열된 인쇄물의 온도는 인쇄 된 부분의 순간 높이를 기준으로 실시간으로 733K (430 ° C)에서 833K (580 ° C)로 점차 증가했습니다. 이것은 물체 표면적이 증가함에 따라 국부적 인 열 확산의 증가를 극복하기 위해 행해졌습니다. 알루미늄의 높은 열전도율은 국부적 인 온도 구배에 대한 조정이 신속하게 이루어져야하기 때문에 특히 어렵습니다. 그렇지 않으면 온도가 빠르게 감소하고 층내 유착을 저하시킵니다.

결론

시뮬레이션 결과를 바탕으로, Vader System의 프로토 타입 마그네슘 유체 역학 액체 금속 Drop-on-demand 3D 프린터 프로토 타입은 임의의 형태의 3D 솔리드 알루미늄 구조를 인쇄 할 수 있었습니다. 이러한 구조물은 서브 밀리미터의 액체 금속방울을 층 단위로 패턴화하여 성공적으로 인쇄되었습니다. 시간당 540 그램 이상의 재료 증착 속도는 오직 하나의 노즐을 사용하여 달성되었습니다. 이 기술의 상업화는 잘 진행되고 있지만 처리량, 효율성, 해상도 및 재료 선택면에서 최적의 인쇄 성능을 실현하는 데는 여전히 어려움이 있습니다. 추가 모델링 작업은 인쇄 과정 중 과도 열 영향을 정량화하고, 메니스커스 동작뿐만 아니라 인쇄된 부품의 품질을 평가하는 데 초점을 맞출 것입니다.

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