具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理。采用表面机械磨削及酸碱腐蚀相结合的方法去除打印原材料表面的氧化皮和杂质。

2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器。其中，参见图1，所述按需式均匀金属微滴发生器1布置在低氧低水环境11中。所述按需式均匀金属微滴发生器1的外壁上设置有感应加热器2。所述按需式均匀金属微滴发生器1的底部设置有喷嘴3。所述喷嘴3的内径尺寸可在1～1000μm范围内选择。所述按需式均匀金属微滴发生器1布置在沉积基板上方。所述按需式均匀金属微滴发生器1接地处理。

3)启动感应加热器2。所述感应加热器2产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金。

4)打印初始化。将三维工作台10移动至打印位置，调整沉积基板7距喷嘴3至设定距离。所述喷嘴3与沉积基板7之间的沉积距离根据实际需求调节。其中，所述三维工作台10接地处理。所述三维工作台10的上表面从下到上依次铺设绝缘板9、加热板8和沉积基板7。所述沉积基板7与高压直流电源I的正极接通。高压直流电源I的电压大小影响充电金属微滴5与通电沉积基板7之间的电场强度。所述高压直流电源I的电压在0～1000V范围内连续可调。实际生产中，根据实际工艺条件确定高压直流电源I的电压，实现诱导充电金属微滴5底部生成泰勒锥。所述绝缘板9有效隔绝沉积基板7与三维工作台10。所述三维工作台10具有X方向移动轴、Y方向移动轴和Z方向移动轴，实现XYZ三个方向的运动。所述沉积基板7、加热板8、绝缘板9和三维工作台10均布置在低氧低水环境11中。

5)启动加热板8对沉积基板7进行预热处理。值得说明的是，热电偶12对按需式均匀金属微滴发生器和沉积基板7的温度进行实时测量。热电偶12分别对金属或合金的加热温度和沉积基板7的预热温度进行实时测量，然后把数据反馈给感应加热器2和加热板8，实现对金属或合金材料温度和基板预热温度的闭环控制。

6)启动按需式均匀金属微滴发生器1，激发熔融态金属或合金原材料在喷嘴3处挤出，形成未断裂的液流。

7)在充电电极4的诱导作用下，负电荷聚集到液流上。当液流长度达到一定阈值时，液流断裂形成带负电荷的充电金属微滴5，至此完成充电金属微滴5的充电过程。所述充电金属微滴5的实际电荷量为q，所述充电金属微滴5的瑞利极限为q_R。式中，ε为沉积环境E中的气体介电常数。δ为充电金属微滴5的表面张力。R为充电金属微滴5的半径。

其中，所述充电电极4整体为环形片状结构。所述充电电极4上设置有供充电金属微滴5穿过的孔洞。所述充电电极4布置在喷嘴3与沉积基板7之间。所述充电电极4与周期性高压脉冲电源的正极接通。通过调节高压脉冲电源的脉冲宽度和频率调整诱导充电量。所述周期性高压脉冲电源的电压在500～5000V范围内连续可调。在实际生产中，所述周期性高压脉冲电源的电压大小根据微滴尺寸和实际需求确定。所述周期性高压脉冲电源为充电电极4断续加电。高压脉冲电源接通时通过充电电极4给液滴充电。在充电金属微滴5与沉积基板7接触前后时间段内高压脉冲电源处于断开状态，避免形成干扰电场影响充电金属微滴5的铺展和沉积。

8)带负电荷的充电金属微滴5穿过充电电极4上的孔洞向通电沉积基板7飞行。带负电荷的充电金属微滴5与沉积基板7之间逐渐形成电场。电场强度随着两者的距离减小而增大。在电场诱导作用下，电荷在充电金属微滴5内部重新分布，负电荷聚集到微滴的底部，从而增大麦克斯韦应力。当电场强度达到一定水平时，充电金属微滴5的电荷水平升高到临界电荷水平以上，充电金属微滴5在麦克斯韦应力作用下克服表面张力与周围环境气体压力而变形，充电金属微滴5底部生成泰勒锥13。

为了量化充电金属微滴5的充电量，定义无量纲电荷水平为Γ＝q/q_R，式中，Γ为充电金属微滴5的无量纲电荷水平，q为充电金属微滴5的实际电荷量，充电金属微滴5的电荷量q可由电荷放大器直接测量得到，q_R为充电金属微滴5的瑞利极限(充电金属微滴5在保证不破裂的前提下可携带的最大电荷量)。无量纲电荷水平Γ描述了在电应力克服充电金属微滴5表面张力之前，充电金属微滴5可以携带的最大电荷量，此处可以通过调节与充电电极4连通的高压脉冲电源的电压来实现对充电金属微滴5充电量的控制。当充电金属微滴5的电荷水平升高到约1％瑞利极限的临界水平以上时，麦克斯韦应力会克服累积的气体压力与充电金属微滴5的表面张力，使充电金属微滴5底部变形生成泰勒锥13。其中，瑞利极限为式中，ε为沉积环境11中的气体介电常数，δ为充电金属微滴5表面张力，R为充电金属微滴5半径。理论临界电荷为仅取决于基于气体粘度的毛细管数Ca，Ca＝μgU/δ，式中，μ为充电金属微滴5原材料的粘度，g为重力加速度，U为沉积速度，δ为充电金属微滴5表面张力。

9)参见图2，单颗充电金属微滴5向沉积基板7的沉积铺展行为经历了碰撞、铺展和凝固。充电金属微滴5底部的泰勒锥13与沉积基板7表面率先接触。在惯性力的驱动下，充电金属微滴5流动铺展。微滴沉积区域内的环境气体被顺势排出，铺展到最大直径。

10)根据成形制件数字模型，反复控制按需式均匀金属微滴发生器1产生充电金属微滴5，并控制充电金属微滴5的打印沉积与三维工作台10运动间的协调匹配，实现第一个沉积层逐滴打印。

11)上一个沉积层成形完成后，三维工作台10的Z轴方向下降一个沉积层高度。以已沉积凝固层14将作为新的打印沉积基体。充电金属微滴5沉积在已沉积凝固层14上。

在表面张力的作用下，多颗微滴连续沉积搭接形成的已沉积凝固层14的表面不可能完全光滑。可以近似看作是连续的圆弧组成，相邻熔滴间存在微小空隙16。

参见图3，在现有均匀金属微滴喷射打印过程中，熔融态金属液在向已沉积层表面的空隙中流动填充时，由于反向阻力间的作用，流动填充过程存在着浸渗极限。图中小箭头表示抵抗液滴进一步填充的反向阻力。

参见图4，在本实施例中，当沉积熔滴与已沉积熔滴接触时，新入射的充电金属微滴5与已沉积凝固层14发生微域互熔，形成重熔区15。电场的导向吸引作用促进充电金属微滴5的流动铺展，进而促进充电金属微滴5对凝固层14表面的微小空隙16的完全填充。

12)重复步骤11)，实现逐滴逐层打印直至成形结束，最终形成成形制件6。

13)关闭整个打印沉积系统，将成形制件6从低氧低水环境11内取出，并对成形制件6进行回火处理。

本实施例借助带电液滴在电场诱导作用下受力变形的特点，调控金属微滴的碰撞沉积行为，使得金属微滴底部在靠近基体的过程中生成泰勒锥，控制金属微滴底部的中心区域预先与基体接触，改变固液气三相接触线的形式及运动轨迹，将微滴沉积微域内的环境气体排出，在根本上抑制金属微滴碰撞沉积的卷气行为。与此同时，电场的导向吸引作用会促进熔融态金属微滴的铺展流动，使得微滴铺展更加充分，利于层界面微小空隙区域的良好填充，进而达到高致密化制件直接打印成形之目的。

实施例2：

本实施例将实施例1应用于7075铝合金高致密块状件打印成形。本实施例主要步骤同实施例1。

在本实施例中，通过控制三维工作台10的X轴、Y轴的协调运动，使喷嘴3定位对焦至初始沉积位置，控制三维工作台10的Z轴使得喷嘴3与沉积基板7之间的距离为30mm。

对市场供应态的7075铝合金棒料进行切割处理，使其能够顺利放入按需式均匀金属微滴发生器1中，采用打磨工艺及酸碱腐蚀结合的方法去除其表面氧化皮及杂质，然后放入按需式均匀金属微滴发生器1中并密封处理。

通过惰性气体手套箱对整个打印工作空间11进行除氧、除水处理，并维持工作环境的水汽和氧气含量均低于5PPM。开启感应加热器2对按需式均匀金属微滴发生器1中的金属原材料进行加热，控制加热温度达到800～850℃，使按需式均匀金属微滴发生器1内的7075铝合金原材料完全熔化。开启加热板8，对沉积基板7进行预热处理，预热温度设置为150℃。在实际生产中，所述高压直流电源I的电压可在0～500V范围内选择，高压脉冲电源Ⅱ的电压可在2000～5000V范围内选择。在本实施例中，所述高压直流电源I的电压为300V。所述周期性高压脉冲电源的电压为3000V。采用直径350μm的喷嘴3进行喷射熔融态7075铝合金微滴5，控制工艺参数使喷射出的7075铝合金微滴5直径在500±5μm，通过充电电极4对喷射生成的7075铝合金微滴5进行按需充电处理，充电完成的微滴5通过充电电极4中心的圆孔向通电沉积基板7飞行。随着7075铝合金微滴5与通电沉积基板7之间的距离逐渐减小，诱发7075铝合金微滴5底部生成泰勒锥13并与沉积基板7预先接触，随后，7075铝合金微滴5以生成的泰勒锥13为中心，在不卷入环境气体的情况下向四周铺展沉积。由此周而复始地喷射打印均匀的7075铝合金微滴5，过程中控制三维工作台10按照预设的打印程序进行三维运动，当7075铝合金微滴5打印在已沉积凝固层14表面时，打印层界面内将形成重熔区15，在凝固层14表面的微小空隙16区域附近极易生成孔洞缺陷，此时电场的导向吸引作用会促进铝合金微滴5对已凝固层14表面空隙16的流动填充，进而抑制打印孔洞缺陷的形成。直至完成7075铝合金块件6的逐滴、逐线、逐层打印沉积成形后，关闭整个打印沉积系统，将成形制件6从低氧低水环境11内取出，并对其进行回火处理，消除热应力，得到满足使用要求的高致密7075铝合金块件。

实施例3：

本实施例将实施例1应用于Sn60Pb40锡铅合金高可靠性凸点阵列喷印成形。本实施例主要步骤同实施例1。

在本实施例中，喷射打印的材料更换为电子封装用Sn60Pb40锡铅合金，控制感应加热器2的加热温度为350～400℃，加热板8对沉积基板7进行预热处理时，控制预热温度为50℃。凸点阵列由一系列离散的单颗沉积态金属微滴组成，打印中不涉及逐层打印过程，每一颗充电金属微滴5的沉积位置需根据实际需求排布，且沉积基板7需要根据电子封装要求特殊选定。当沉积基板7为金属材料时，可以使其直接接通高压直流电源I的正极，而当沉积基板7为非金属材料时，需要预先采用表面涂覆技术在沉积基板7表面整体制备金属镀层，然后再将其连接至高压直流电源I的正极。在实际生产中，所述高压直流电源I的电压可在0～300V范围内选择，高压脉冲电源Ⅱ的电压可在500～2000V范围内选择。在本实施例中，所述高压直流电源I的电压为100V。所述周期性高压脉冲电源的电压为1100V。在凸点阵列的制备中，通常需要单颗充电金属微滴5的尺寸更小，所以需要更换小尺寸喷嘴3进行喷射打印。本实施例采用直径200μm的喷嘴3进行喷射熔融态Sn60Pb40锡铅合金微滴5，控制工艺参数使喷射出的Sn60Pb40锡铅合金微滴5直径在300±3μm。由于电场诱导作用抑制了每一颗充电金属微滴5与沉积基板7之间的孔洞缺陷，所制备的凸点阵列与沉积基板7之间结合更加致密，进而满足高可靠性电子封装的要求。

实施例4：

本实施例提供均匀金属微滴喷射3D打印孔洞缺陷的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取金属或合金作为打印原材料，并对打印原材料表面的氧化皮和杂质进行处理。

2)将处理后的打印原材料供给至按需式均匀金属微滴发生器。其中，所述按需式均匀金属微滴发生器1布置在低氧低水环境11中。所述按需式均匀金属微滴发生器1的外壁上设置有感应加热器2。所述按需式均匀金属微滴发生器1的底部设置有喷嘴3。所述按需式均匀金属微滴发生器1布置在沉积基板上方。所述按需式均匀金属微滴发生器1接地处理。

3)启动感应加热器2。所述感应加热器2产生热量对打印原材料进行加温，打印原材料熔化为熔融液态金属或合金。

4)打印初始化。将三维工作台10移动至打印位置，调整沉积基板7距喷嘴3至设定距离。其中，所述三维工作台10接地处理。所述三维工作台10的上表面从下到上依次铺设绝缘板9、加热板8和沉积基板7。所述沉积基板7与高压直流电源I的正极接通。所述高压直流电源I的电压在0～1000V范围内连续可调。所述三维工作台10具有X方向移动轴、Y方向移动轴和Z方向移动轴，实现XYZ三个方向的运动。所述沉积基板7、加热板8、绝缘板9和三维工作台10均布置在低氧低水环境11中。

5)启动加热板8对沉积基板7进行预热处理。

6)启动按需式均匀金属微滴发生器1，激发熔融态金属或合金原材料在喷嘴3处挤出，形成液流。

7)在充电电极4的诱导作用下，负电荷聚集到液流上。当液流长度达到一定阈值时，液流断裂形成带负电荷的充电金属微滴5。其中，所述充电电极4布置在喷嘴3与沉积基板7之间。所述充电电极4下方设置有电场屏蔽板。所述充电电极4和电场屏蔽板均为环形片状结构。所述充电电极4和电场屏蔽板上设置有供充电金属微滴5穿过的孔洞。所述电场屏蔽板的外径大于充电电极4的外径，内径小于充电电极4的内径。所述充电电极4与高压直流电源Ⅱ的正极接通。所述高压直流电源Ⅱ的电压在500～5000V范围内连续可调。所述电场屏蔽板接地处理，以屏蔽充电电极4产生的干扰电场。

8)带负电荷的充电金属微滴5穿过充电电极4上的孔洞向通电沉积基板7飞行。带负电荷的充电金属微滴5与沉积基板7之间逐渐形成电场。电场强度随着两者的距离减小而增大。在电场诱导作用下，电荷在充电金属微滴5内部重新分布，负电荷聚集到微滴的底部，从而增大麦克斯韦应力。当电场强度达到一定水平时，充电金属微滴5的电荷水平升高到临界电荷水平以上，充电金属微滴5在麦克斯韦应力作用下克服表面张力与周围环境气体压力而变形，在充电金属微滴5底部生成泰勒锥13。

9)带负电荷的充电金属微滴5向沉积基板7沉积。带负电荷的充电金属微滴5底部的泰勒锥13与沉积基板7表面率先接触，在随后的流动铺展过程中，微滴沉积区域内的环境气体被顺势排出。

10)根据成形制件数字模型，反复控制按需式均匀金属微滴发生器1产生充电金属微滴5，并控制充电金属微滴5的打印沉积与三维工作台10运动间的协调匹配，实现第一个沉积层逐滴打印。

11)上一个沉积层成形完成后，三维工作台10的Z轴方向下降一个沉积层高度。以已沉积凝固层14将作为新的打印沉积基体。充电金属微滴5沉积在已沉积凝固层14上。其中，新入射的充电金属微滴5与已沉积凝固层14发生微域互熔，形成重熔区15。电场的导向吸引作用促进充电金属微滴5的流动填充，进而促进充电金属微滴5对凝固层14表面的微小空隙16的完全填充。

12)重复步骤11)，实现逐滴逐层打印直至成形结束，最终形成成形制件6。

13)关闭整个打印沉积系统，将成形制件6从低氧低水环境11内取出，并对成形制件6进行回火处理。

实施例5：

本实施例主要步骤同实施例1或4，其中，均匀金属微滴喷射3D打印装置置于惰性气体手套箱箱体内。箱体内氧气与水蒸气含量均在5PPM以下。

实施例6：

本实施例主要步骤同实施例1或4，其中，所述沉积基板7为金属材料。

实施例7：

本实施例主要步骤同实施例1或4，其中，所述沉积基板7为非金属材料。所述沉积基板7的表面涂覆有金属镀层。