ノースウェスタン工科大学: 均一な金属液滴噴射に基づく 3D 印刷技術

出典：中国科学：情報科学、第45巻第2号、2015年著者：Qi Lehua①②、Zhong Songyi①、Luo Jun①②
① ノースウェスタン工科大学機械電気工学部、
②教育部現代デザイン・統合製造技術重点研究室、西北工科大学、

右：中国非鉄金属新聞の潘廷祥氏、中央：西北工科大学の斉楽華教授、右：材料＋秦麗麗氏
1 はじめに 均一な金属液滴噴射に基づく3D印刷技術は、1993年に米国のオームが提案し開発した積層製造技術です。「離散重ね合わせ」成形原理に基づき、液滴噴射装置によって均一な金属液滴を生成し、同時に3次元基板の動きを制御して、金属液滴が特定の場所に正確に堆積し、互いに融合して固化し、点ごとに、層ごとに「蓄積」され、複雑な3次元構造の迅速な印刷を実現します。この技術は、噴射材料の範囲が広く、制約のない自由成形が可能で、高価な専用設備が不要などの利点があり、小型で複雑な金属部品の製造、回路印刷と電子パッケージング、構造と機能の統合部品の製造などの分野で幅広い応用展望があります。

現在、非金属材料（インクやポリマー溶液など）のマイクロドロップレットジェットテクノロジーが満足していますが、金属材料の噴射にはまだ多くの技術的な問題があり、3次元の固体材料の印刷は、高粘度と表面材料を使用しています。一方、金属製の顕微鏡材の拡散と固化は、微小路材の微量材料の微小液型の温度の速度などの複数の要因によって結合されているため、金属材料の噴射と腐食性の噴射装置を開発する必要があります。融合状態と、実験的および理論的側面の両方から内部微細構造の進化法は、成形部品の外部形態、内部品質、および機械的特性を確保します。

本論文では、金属液滴注入技術の原理と分類の紹介を基に、著者の研究実践と国内外の現在の研究状況を組み合わせ、金属液滴注入に関わる重要な技術と困難に焦点を当て、今後の開発動向と研究の方向性を展望する。

図1 均一な金属液滴生成と注入の原理図1 金属液滴注入技術の分類と特徴
2 金属液滴注入技術の原理と分類 均一な金属液滴生成の原理と制御方法の違いにより、金属液滴注入技術は、連続インクジェット（CIJ）（図1（a））とドロップオンデマンド（DOD）（図1（b））の2つのカテゴリに分類できます。それぞれの技術的特徴を表1に示します。連続均一金属液滴注入は、連続圧力の作用下でノズル穴を通して毛細管ジェットを形成し、励振器の作用下で均一な液滴流に分解します。この技術は、レイリーのジェット線形不安定性理論に基づいて、1990年代にマサチューセッツ工科大学とカリフォルニア大学アーバイン校によって初めて提案されました。
図1（a）は、典型的な連続した液滴生成デバイスを示しています。るつぼは、ガス圧力の下で最初にノズルを流し、同時に、ピエゾレクトリックセラミックが周期的な乱れを生成します。ジェットの張力の効果と、ジェット表面の乱れは時間に変化します（t）=djεeβt/液滴は、約0.697の波数K（k =πdj/λ）の正弦波乱れがジェットに適用されることを示しています。ジェットが破裂した後、その飛行軌道と堆積位置を制御するために、電界によってジェットを充電して偏向させる必要があります。

オンデマンドの金属液滴注入は、必要に応じて圧力パルスを生成し、空洞の溶融物を変更し、液体を強制して瞬間的な速度と圧力の変化を生成して、単一の液滴の形成を促進し、一滴の液滴での液滴での液滴の脱落の困難な挙動と比較して、1つ注入速度は、連続的な注入速度よりもはるかに低いですITYは、ノズル出口の流体の速度が以前の流出液の速度よりも少なくなり、液体カラムを首にして、自宅と海外で学者から大きな注目を集めています。現在、研究は主に均一な金属液滴生成のメカニズム、軌道制御装置と設備開発、スズ鉛とアルミニウムの液滴ジェット堆積形成メカニズム、液滴の精度制御と応用、成形品質管理に焦点を当てています。表2は、国内外の主な研究機関とその研究分野を示しています。

表2 国内外における均一金属液滴ジェット成形技術の研究概要
均一な金属液滴ジェット堆積のための 3 つの主要技術 金属液滴噴射3Dプリントのプロセスでは、均一な金属液滴の安定した噴射を維持することが、この技術の応用の基礎となります。液滴生成メカニズムのさまざまな形式と応用分野に応じて、対応する液滴噴射装置と制御システムを開発する必要があります。また、噴射パラメータ、液滴温度、基板温度などの協調的なマッチングは、成形部品の外部形態と内部構造に大きな影響を与えます。

3.1 均一金属液滴吐出装置の研究
3.1.1 連続金属液滴噴霧装置 連続した金属液滴注入装置は、ジェットを形成するための連続圧力を生成して、典型的な液滴の流れに侵入します均一な液滴を駆動するために、後者は液滴の軌道と堆積位置を制御するために使用されます圧電セラミックは、一般にキュリーポイントの半分を下回る必要があります。グラファイトるつぼの上端と下端。銅液滴注入装置を開発しました。カリフォルニア大学は、アルミニウム合金注入装置を開発する際に、窒化ホウ素でコーティングされたチタン合金棒を振動棒として使用しました。これにより、溶融アルミニウムの腐食を効果的に防ぐことができます。チタン合金は熱伝導率が低いため、圧電セラミックスへの熱伝達を減らすことができます。

3.1.2 オンデマンド金属液滴注入装置 オンデマンド射出技術は、駆動装置を介して脈圧を発生させ、溶融物をノズルから押し出して液滴を形成する技術です。脈圧を発生させるさまざまな方法に応じて、オンデマンド射出には主に空気圧駆動、圧電駆動、機械振動、応力波などが含まれます。圧電駆動オンデマンド射出装置は、1990年代半ばにマサチューセッツ工科大学によって開発されました。射出プロセス中に、圧電セラミックが変位し、ダイヤフラムを圧迫してキャビティ内の溶融物の体積を変え、ノズルから流出させて液滴を形成します。

図a 初期の印刷された金属部品

図b：技術成形の後期段階での小型部品の印刷。しかし、この構造には、供給流路が小さい、詰まりやすい、射出チャンバー内の熱が高いなどの問題があり、圧電セラミックスの故障につながりやすい。ノズルの設計を改良した圧電駆動ピストン射出装置は、環状流路を採用し、ピストンヘッドと射出チャンバーの間に隙間を残し、溶融液の上部に空気圧をかけることで、溶融液が適時にノズル口に補充されることを保証します。また、圧電セラミックに長い振動棒を取り付けると、熱伝達を効果的に減らし、圧電セラミックを保護し、より高い融点の金属射出に使用できるようになります。機械振動型の原理は、圧電駆動ピストン型と似ています。その駆動源は電磁弁を採用しており、振動棒はより大きな変位を得ることができ、駆動制御装置はよりシンプルですが、射出周波数は低くなります。

空気圧駆動式射出装置は、現在より頻繁に使用されているタイプの射出装置です。構造がシンプルで、安定性が高く、熱に敏感な部品がないため、融点の高い金属材料の射出に適しています。図2に示すように、空気圧駆動式射出システムの原理図は、ソレノイドバルブのスイッチを制御してキャビティ内に脈動空気圧を発生させ、溶融物をノズルから押し出して液滴を形成します。カナダのトロント大学は、空気圧駆動式オンデマンド射出装置を開発し、液滴径が100〜300μmのスズ鉛合金の射出を実現しました。ノースウェスタン工科大学は、黒鉛るつぼと誘導加熱炉を使用して、液滴径が0.5〜2mmのアルミニウムや銅などの金属のオンデマンド射出を実現する高融点金属空気圧射出装置を開発しました。

ノズルからのジェットは時間内に壊れることができないため、液体カラムの直径は表面の張力や濡れ性などの因子の影響下で増加し、ノズルの直径よりも一般的に形成された液滴の直径をもたらし、堆積物の微小なドライブを産生する波動装置に基づいて浸透した波型装置が発生したため、表面精度の改善が制限されます。現在、直径の直径の金属溶融滴が図3に示されています増加するために、自由液体の表面の「膨らみ」が伸び続け、ストレス波が消えると、ジェットの「首」が伸びると、ジェットのフロントエンドが表面張力と慣性の組み合わせの作用の下で単一の液滴になります。
図c: 金属液滴印刷回路図d: 均一なバンプアレイ
3.2 金属液滴の噴出に影響を及ぼす因子に関する研究 金属液滴の安定した吐出は、環境要因の影響を受けるだけでなく、吐出パラメータやノズル構造パラメータの選択とも密接に関係しており、均一な金属液滴の安定した吐出と正確な堆積を実現するには、理論と実験の研究を通じて調整とマッチングのルールを習得する必要があります。

3.2.1 連続注入に影響を与えるパラメータとその制御 連続注入プロセスでは、液滴の均一性は主に外乱周波数や外乱振幅などのパラメータの影響を受けます。各注入圧力には最適な外乱周波数と外乱振幅があり、最適な外乱周波数は注入圧力の増加とともに増加します。しかし、液滴は破断後に相対速度を持つため、一定距離を飛行すると互いに融合し、液滴サイズが変化して均一性が悪くなります。液滴に異なる振幅変調外乱を適用することで、液滴を必要に応じて融合するように制御し、サイズの均一性を向上させることができますが、同時に液滴の直径が大きくなり、後のアプリケーションに不利になります。均一な液滴が融合する前に液滴を帯電させ、液滴間に反発力を持たせて液滴の融合を防ぐと、液滴サイズの均一性を向上させることができます。

連続金属液滴噴射は、高速液滴流を連続的に生成します。必要な液滴の正確な堆積を実現するために、不要な液滴を偏向・回収するには、電界偏向技術を使用する必要があります。液滴の電荷は偏向距離に大きな影響を与えます。円筒形ジェット充電コンデンサモデルに基づいて、平均電荷再帰アルゴリズムは液滴の電荷を効果的に予測できます。これに基づいて、偏向電圧、堆積距離などを調整することで、液滴の飛行プロセスと堆積位置を正確に制御できます。

図2 空気圧駆動オンデマンド注入システムの概略図図3 応力波駆動マイクロ液滴注入の概略図
3.2.2 オンデマンド注入とその制御に影響を与えるパラメータ 駆動モードが異なるため、オンデマンド射出のプロセスパラメータ制御方法も異なります。このセクションでは、主に空気圧オンデマンド射出のプロセスに影響を与える要因について説明します。

空気圧オンデマンド射出技術では、溶融液滴の生成は、射出圧力、ノズル径、溶融金属自体の物理的特性などの要因の影響を受けます。液滴生成プロセスの静的解析により、最小圧力P1 = 4σ/dtρgh（ρ、σ、d、hは、溶融液体の密度、表面張力、ノズル径、キャビティ内の溶融液体の高さ）が得られ、異なる材料と異なるノズル径での射出圧力の予備選択に使用できます。プロセスパラメータが液滴サイズ、飛行速度などに与える影響をさらに研究するために、研究者は、流体体積（VOF）二相流モデルに基づいて、液滴オンデマンド射出プロセスの流れ場の計算モデルを確立し、その有効性を検証しました。

調査結果は、噴射圧力とパルス幅の増加とともに増加しますが、噴射圧力と脈拍プロセスが不安定になり、複数の衛星サイズが生成されます。ウェーバー数は0.05未満です。図4は、表面の張力効果が増加すると、湿気とその他の要因の下で液体カラムの直径が増加します。空洞内の空気圧波形を制御することにより、ノズル直径の65％の注入は、最初に液体表面を内側に収めることであり、液体の中心部はより高い粘度の表面に影響します。液柱は前進して膨らみ、キャビティ内に負圧が発生します。膨らんだ液柱は慣性により移動を続け、液面から離れてノズル径よりも小さな液滴を形成します。

金属液滴の正確な堆積は、連続的な噴射プロセスでの充電のたわみプロセスとは異なり、別の問題です。不純物、欠陥、およびノズルオリフィスの非対称湿潤などの溶解は、金属滴の噴射で使用されるノズルの直径が小さいため、上記の不確実な要因は、堆積距離を完全に排除することはできません。半径は、液滴の直径よりも小さくなります。この条件では、堆積距離が10 mmの場合、すべてのポイントの最大位置誤差が測定されると考えています。

図4 ウェーバー数（We）が液滴径、破断長さ、ノズル径比に与える影響図5 堆積距離が堆積偏差半径に与える影響
3.3 均一な金属液滴堆積形成に影響する因子の検討 均一な金属堆積物の品質は、主に層の厚さ、液滴温度、基質温度などのプロセスパラメーターを含みます。パーツモデルは、堆積方向のパーツのサイズが大きくなります図6と7に示されているように、さまざまなスキャンステップの下で液滴の間に発生する可能性のある重要な要因の1つは、滴が劣っている場合は、程度の段階を維持しています。オーバーラップ率が大きすぎたり小さすぎたりすると、内部に穴が開きます。体積定数法に基づく最適ステップ距離アルゴリズムを使用して、適切なスキャンステップ距離を決定できます。微小な穴やコールドシャットは、マイクロ液滴ジェット堆積部品内部の一般的な微細欠陥であり、主に液滴温度、基板温度などの影響を受けます。
液滴温度が低いと液相分率が少なく、液滴間の重なり隙間を完全に埋めるのが難しく、隙間穴が形成されます。基板温度が低すぎると、液滴は短時間で完全に凝固し、液滴が広がって重なり隙間を埋めるのに利用できる時間が短くなり、これも隙間穴の原因になります。隙間穴に加えて、液滴が最後に凝固する領域には凝固収縮穴があります。このような穴は通常、サイズが小さく数も少ないため完全に除去するのが難しく、全体的な性能にほとんど影響しません。また、液滴温度と基板温度の適切なマッチングも、液滴間の良好な再溶融と冶金結合を確保するための必要条件です。西北工科大学は有限要素法と要素生死技術を使用して堆積プロセスを動的にシミュレートし、アルミニウム合金堆積プロセス中の液滴温度と基板温度の最良のマッチング値を取得しました。

4 申請状況 均一な金属液滴注入に基づく3D印刷技術が適用され、主に次の2つの側面に焦点を当てています。図7 異なるスキャンステップでの堆積層。(a) 1000 μm、(b) 850 μm、(c) 750 μm、(d) 700 μm、(e) 620 μm、(f) 600 μm
（１）金属部品の直接成形
マイクロ液滴噴射技術によって生成される金属液滴は、サイズが均一で、飛行速度も類似しています。プロセスパラメータを効果的に制御することで、堆積部品の形状と内部構造を制御できるため、複雑な金属部品の直接成形に独自の利点があります。カリフォルニア大学のOrmeらは、金属マイクロ液滴連続噴射技術をアルミニウム合金パイプの直接成形に応用する先駆者となりました。内部の結晶粒度は均一で小さく（10μmレベル）、鋳造状態と比較して引張強度と降伏強度が約30％増加します。

（２）電子実装・回路印刷
連続液滴噴射技術は、均一で微細な金属粒子を効率的に製造できます。帯電偏向装置の制御により、堆積精度は±12.5μmに達します。ただし、オンデマンドで液滴を生成できないため、主にはんだボールの製造と単純な形状の回路印刷に使用されます。オンデマンド噴射技術は、液滴のポイントツーポイント堆積を実現できるため、はんだボール印刷、電子パッケージング、複雑な構造の回路印刷でより多くの利点があります。米国のMicrofab社は、はんだ接合部印刷の商用化を実現しました。

5 結論と展望 均一な金属液滴噴射に基づく3D印刷技術は、噴射材料の範囲が広く、制約のない自由な成形が可能で、高価な専用設備が不要などの利点があり、大きな発展の可能性を秘めた積層製造技術です。現在、この技術は金属部品の直接成形、マイクロエレクトロニクスパッケージング、はんだボールの準備などの分野に応用されています。また、異種材料とその部品の準備、構造と機能の統合製造、航空宇宙などのハイテク分野にも重要な応用展望があります。ただし、金属液滴噴射3D印刷技術の応用と開発をさらに促進するには、次の側面で深い研究が必要です。

（1）異なる応用分野向けのスプレー堆積装置の研究、特に異なる高温金属材料をスプレーするためのスプレー装置の開発。均一な金属液滴の安定したスプレー堆積は、この技術が広く使用できるかどうかの鍵です。異なる金属材料の物理的特性は大きく異なるため、安定したスプレーを実現するためには、プロセスパラメータが異なる材料のスプレープロセスに与える影響の研究に基づいて適切なスプレー装置を設計し、異なる金属材料のスプレーに適した柔軟な3Dプリント装置を開発する必要があります。

（2）異種材料、傾斜機能材料及びその製品の印刷と制御システムの研究。マイクロ液滴射出技術は、定点に微量を正確に堆積させる特徴があるため、異種材料、機能材料及びその製品の成形において独特の利点があります。従来の均質材料射出成形システムとその制御ソフトウェアは、直接適用することが困難です。そのため、ユーザーのニーズに合わせて設計された異種材料と製品の印刷と成形を実現するために、マルチ材料射出堆積メカニズムとその制御スキームを研究し、マルチノズルリンク堆積システム、マルチ材料材料/部品モデル処理ソフトウェア、軌道計画アルゴリズムを開発する必要があります。

（３）構造機能一体型部品の印刷機構、プロセス、成形設備の研究。構造性能と熱、電気、磁気などの特殊機能を一体化した構造機能一体型部品の成形を実現するために、異種材料の印刷、組み合わせ機構、統合方法の研究に基づいて、液滴ジェット堆積機能と異種成分添加機能を備えたインテリジェントフレキシブル印刷設備とそれに対応するソフトウェアと制御システムを設計する必要がある。この技術は、ハイテクの急速な発展とともに、ますます重要な役割を果たすことが予測される。

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