国内均匀金属微滴喷射打印探路者齐乐华教授团队：虽小众，但它是来自材料＋的分享。"

【材料+说】：

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理，由美国麻省理工和加州大学欧文分校的研究者在上世纪90年代初期提出并发展起来的一种金属增材制造技术（3D打印技术），其基于“离散——叠加”的成型原理，通过液滴喷射器产生均匀金属微滴，同时控制三维基板运动，使金属微滴精确沉积在特定位置并相互融合、凝固，逐点逐层“堆积”，而实现复杂三维结构的快速打印。该技术具有喷射材料范围广，无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点，在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化零件制造等领域具有广泛应用前景。

为进一步了解均匀金属微滴喷射打印研究现状与发展趋势，以及国内高校3D打印技术进展与技术优势，记者来到西北工业大学齐乐华教授研究团队，就均匀金属微滴喷射打印技术进行了专访。

右一中国有色金属报潘廷祥中间西北工业大学齐乐华教授右二材料+ 秦丽丽

嘉宾简介

齐乐华，西北工业大学机电学院教授，博士生导师，全国模范教师、全国百篇优秀博士论文获得者，现任机械制造及其自动化学科负责人，西北工业大学学术委员会委员，主要从事金属基复合材料半固态成形技术与应用，均匀液滴喷射3D打印及微纳成形技术，制造过程仿真与智能控制和机电一体化等方面的研究工作。并先后主持国家自然基金，863重点项目等科研课题20余项，国内外发表学术论文280余篇。

1“时势”造就科研成果

齐老师告诉记者，在上个世纪90年代，国际上就已经高度重视均匀金属微滴喷射与打印这一技术。这一技术最先由美国麻省理工学院和加州大学欧文分校基于Raylegih射流现象不稳定提出的。后来，各个国家利用这一技术进行不同的研究。例如，美国东北大学采用这一技术，进行铜、镁合金微滴喷射试验；加拿大则利用气压脉冲驱动喷射铅锡合金和铝合金，进行零件微滴成形工艺研究；日本大阪大学将微滴喷射打印与冶金相结合，生产具有特殊性能的金属间化合物件；荷兰的科研机构则利用这一技术喷射高熔点的金微滴，进行电路打印等等。

而齐老师之所以走进这个领域，是时事造就的。2003年西工大院系合并，而作为学科带头人她必须开拓新方向，建立新的学科培养点。在这样的情况下，齐老师带领团队查阅大量国内外资料，选出了几个较新的研究方向。而微滴喷射涉及液固态加压成型原理，齐老师本身又是学金属基复合材料半固态成形技术与应用的，这点是她的优势；那时又恰逢军工提出武器要向轻量化，小型化发展。因此，齐老师提出了微滴喷射打印微小型武器装备及维修的研究方向。当时的齐老师也不曾想到这一技术会在十年后有如此巨大的应用，还与时下最火的3D打印接轨。”

据记者了解，齐乐华老师团队在熔融喷射装备研发、熔融微滴喷射机理、熔合机理、路径规划和金属微滴与粉联合喷射等方面取得了多项技术突破，形成了自主知识产权的核心关键技术，并且研究成果在雷达波导管件、铝合金微小异形件、薄壁多孔蜂窝结构件和微电子封装等众多领域得到应用。不仅有效推动了我国低成本金属3D打印关键技术的研发，也推动了3D打印行业的发展。

2长足跋涉，不断攻克技术难题

微滴喷射打印技术涉及到液滴与液滴之间的相互融合，凝固量，成分迁移，微流体的控制等问题，包括不同温度下，金属均匀液滴的稳定喷射，液态金属在喷射过程中易堵塞、氧化等问题。以及喷射高熔点的液滴的均匀稳定性，直接沉积时液滴的大小，柔性化的制造设备，这些都是需要攻克的技术难题。经过长期探索研究，齐老师团队的研究成果主要包括以下三方面：

第一，微滴喷射装置。针对金属液滴的堵塞、氧化、黏附等问题。根据不同的应用领域，分别开发出气压脉冲驱动式，机械振动式，应力波驱动式多种喷头，可以喷射出均匀的铅合金，不同的金属液滴。此外，开发出像电子焊料的设备，铝铜的设备，多材质的联合打印设备。能够解决低氧环境的问题，有效控制均匀金属液滴喷射。另外，进行了有效控制软件的开发。

第二，路径规划。通过对微观形帽分析，扫描布局的优化，得到质密的组织，然后对液滴与液滴之间组织放大，对融合区进行研究，对其进行良好控制和工业优化。防止出现间隙空洞，热裂纹等缺陷。通过对控制策略方面的研究，最终成功制定出多种类型的微小件，如雷达上用的波导管件，现散热器，多孔蜂窝结构件等。

第三，金属微滴与粉联合打印。齐老师告诉记者这是在国家863重点项目的支持下进行的研究，主导思想是把超声振动给粉与金属粉末，液滴喷射，两种技术相结合，通过这样的原理，开发出的这样一台实验平台，可以直接对粉体与液体喷射联合沉积。

回顾这十多年的研究历程，齐老师深深的松了一口气，她告诉记者，他们真的是从无到有，从研制设备到最后打印成型，从最初只有211经费支持，到最后有航天基金、国家自然科学基金、青年基金、863项目等经费支持，从最初三个硕士和一个博士生组成小团队，到课题组技术负责人罗俊副教授（最初参与研究的硕士生之一）博士毕业留校形成稳定研究团队，一步一步走到今天，才能够逐步走向产学研结合。齐老师边说边拿出最初与现在打印的产品，让记者从直观上看到这一点一滴的进步。

图a 早期打印的金属件

图b 技术成形后期打印小型件

当年，齐老师申请这一课题时，遭到国内专家质疑，而齐老师和她的团队从未放弃，一步一个脚印，踏踏实实做科研，最终用成果让曾经质疑的专家折服。

3虽小众，但在其擅长领域却是佼佼者

齐老师说，目前有关3D打印的相关报道中几乎很少提到微滴喷射打印这一技术，金属微滴喷墨打印虽属于小众化，但在它的优势领域方面，比如微电子封装，微电子机械制造，材料成型等方面，具有很大的应用前景。与其他3D打印技术相比，微滴喷射打印技术具有一定的优势：第一、成本低。不需要专业的昂贵设备，只需要把金属直接熔化，再离散为均匀的液滴进行有效地控制。第二、具有柔性化的特点。可以做复杂件等，如果有多个喷头，可以打印多种材料的器件。第三、材料范围广，即可实现微量金属材料如铜、铝合金、锡铝合金的喷射打印。

这些年齐老师和她的团队不断在拓展微滴喷射的应用领域，比如电子封装，小型电路，散热器以及现在比较火的太空制造等等。目前，金属喷墨打印技术的应用主要集中在两个方面，一是金属件直接成型，即微滴喷射技术产生的金属熔滴尺寸均匀、飞行速度相近，通过对工艺参数有效控制，可以实现沉积制作形状和内部组织控制，因此在复杂金属件直接成型方面具有独特优势。加州大学Orme等率先将金属微滴连续喷射技术应用于铝合金管件地直接成型，其内部晶粒尺寸均匀细小（10μm量级），抗拉强度和屈服强度与铸态相比，提高约30%。

另一方面是电子封装/电路打印。连续式微滴喷射技术可高效率制备均匀细小金属颗粒，但是由于其不能按需产生液滴，所以多用于焊接制备和简单形状电路打印，而按需式喷射技术可实现微滴定点沉积，因此在焊接打印、电子封装、复杂结构电路打印方面更具优势，美国Microfab公司已实现焊点打印商业化应用。

图c 金属微滴打印电路

图d 均匀凸点阵列

齐老师说，面向不同应用领域的喷射沉积装备研究，特别是用于喷射不同高温金属材料喷射装置的开发是未来的研究方向。均匀金属微滴稳定喷射沉积是该技术能否得到广泛应用的关键，由于不同金属材料的物性相差很大，为实现其稳定喷射，需在研究工艺参数对不同材料喷射过程影响规律的机车上，设计合适的喷射装置，开发出适用于不同金属材料喷射的柔性化3D打印设备。如果金属液滴喷墨打印效率能够得到很大的提高，相信未来这一技术会在更多的领域具有广泛应用前景。

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