研究人員開發(fā)節(jié)能金屬3D打印新方法，采用共振輔助沉積技術(shù)

2025年9月1日，南極熊獲悉，總部位于加州的先進(jìn)制造技術(shù)開發(fā)商Reverb Industrial與亞利桑那州立大學(xué)合作，展示了一種新的金屬 3D 打印方法，可避免熔化并大幅降低功耗。

這項(xiàng)發(fā)表以題為“The Production of Three-DimensionalMetal Objects Using Oscillatory-Strain-Assisted Fine Wire Shaping and Joining”的論文在MDPI上發(fā)表。

論文鏈接：https://www.mdpi.com/1996-1944/17/10/2188

研究表明，共振輔助沉積(RAD) 技術(shù)僅需 100 至 300瓦的機(jī)器功率即可制造致密的鋁合金部件。相比之下，激光粉末床熔融系統(tǒng)的運(yùn)行功率通常為 10 至 20 千瓦，加工每公斤鋁合金消耗 300 至 500 兆焦耳，相當(dāng)于每立方厘米約 1 兆焦耳。

RAD 技術(shù)基于高頻振蕩應(yīng)變降低金屬表觀屈服應(yīng)力并增強(qiáng)界面擴(kuò)散的現(xiàn)象。在實(shí)踐中，打印系統(tǒng)在沉積過程中施加頻率為40千赫茲、振幅低于幾十微米的振動(dòng)。每個(gè)循環(huán)將一段線材原料塑造成扁平體素，同時(shí)促進(jìn)原子與鄰近材料的擴(kuò)散。這些綜合效應(yīng)使得成型和連接無需加熱即可進(jìn)行，從而使團(tuán)隊(duì)能夠打印凈成形的6061鋁結(jié)構(gòu)。組件包括具有高長寬比的薄壁樣品，這對(duì)于基于熔合的技術(shù)通常具有挑戰(zhàn)性。早期研究表明，振蕩應(yīng)變?cè)诮档颓?yīng)力方面的效率大約是加熱的30倍，并且在實(shí)際系統(tǒng)中，傳熱損失會(huì)進(jìn)一步降低效率，這種效果會(huì)被放大。

△采用RAD 技術(shù)連接純鋁和純鎳界面的明場 TEM 圖像。圖片來自MDPI。

研究人員構(gòu)建了一個(gè)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中構(gòu)建板在 XY 平面內(nèi)移動(dòng)，打印頭在 Z 方向移動(dòng)。由加州細(xì)線公司提供的直徑為 0.35 毫米的鋁 6061-O 線材原料穿過連接到壓電換能器的空心剪切應(yīng)變傳遞工具。原料的抗拉強(qiáng)度為140MPa，伸長率為 17.1%。在每個(gè)壓縮循環(huán)中，線材在沉積位置被塑造成體素，振蕩應(yīng)變降低屈服應(yīng)力并促進(jìn)結(jié)合。工具抬起，橫向移動(dòng) 1 毫米的步長，然后重復(fù)這一過程。在 0.6 和 0.7 毫米處測試軌道重疊，以比較完全填充和不完全重疊。刀具路徑使用兩個(gè)具有 ±45°填充模式的外壁，重疊條件決定是否存在空隙或空間填充是否完成。

顯微鏡揭示了連接機(jī)制的工作原理。當(dāng)純鋁體素沉積在鎳上時(shí)，明場圖像顯示界面附近區(qū)域的缺陷密度很高，包括堆垛層錯(cuò)。這些缺陷增強(qiáng)了擴(kuò)散，產(chǎn)生了 80 至 140 納米寬的界面區(qū)。計(jì)算表明，如果僅通過加熱引起這種規(guī)模的擴(kuò)散，則需要 320 至 420°C 的溫度。沉積期間的熱測量顯示溫度僅升高了 5 至 10°C，表明增強(qiáng)的擴(kuò)散來自振蕩應(yīng)變而不是熔化。跨 Al-Ni 界面的能量色散譜 (EDS) 線掃描證實(shí)了這種缺陷驅(qū)動(dòng)機(jī)制產(chǎn)生的濃度梯度。測試裝置采用了 200 千伏的加速電壓和 5 納米的步長，可以定量測量元素?cái)U(kuò)散。初始接觸期間破裂的原生氧化層有時(shí)會(huì)被困在邊界處，從而影響后期的斷裂行為。

△用于打印組件的刀具路徑策略。圖片來自 MDPI。

機(jī)械性能反映了這些界面特性。對(duì)打印部件進(jìn)行的微型計(jì)算機(jī)斷層掃描顯示，在重疊足夠的情況下，密度可達(dá)到原料的 99.95%。軌道間距為 0.7 毫米的樣品出現(xiàn)空隙，而軌道間距為 0.6 毫米的樣品則接近完全固結(jié)。以每分鐘 150 毫米的速度對(duì)水平和垂直打印的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示極限強(qiáng)度約為退火原料線的 75%。研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度的各向異性較低，但伸長率的各向異性較高。垂直試樣沿氧化物被捕獲的界面表現(xiàn)出脆性斷裂，而水平試樣表現(xiàn)出更具延展性的行為。斷裂表面圖像顯示層間區(qū)域出現(xiàn)廣泛的塑性變形，但富含氧化物的區(qū)域出現(xiàn)脆性分離。表面粗糙度測試表明頂層的 Ra 值為 10-20 微米，而側(cè)壁的Ra 值為 15-25 微米。沿垂直表面的扇形輪廓類似于聚合物擠壓印刷中常見的圖案。

能耗數(shù)據(jù)凸顯了與傳統(tǒng)方法的對(duì)比。在體素級(jí)別，RAD 需要每立方毫米 3.79 × 10⁻⁴ 焦耳進(jìn)行成型和連接。激光粉末床熔合通常消耗每立方毫米約 100 焦耳，相差 5 個(gè)數(shù)量級(jí)。在機(jī)器規(guī)模上，即使使用構(gòu)建板加熱進(jìn)行過程中退火，RAD 平臺(tái)也會(huì)根據(jù)操作條件消耗 100 至 300 瓦的功率。相比之下，激光和電子束系統(tǒng)消耗數(shù)十千瓦。傳統(tǒng)的基于熔合的工藝在幾個(gè)階段效率降低，包括電光轉(zhuǎn)換、激光能量的吸收以及向周圍材料的熱傳遞。寄生加熱進(jìn)一步增加了功耗，因?yàn)楸仨毢纳㈩~外的功率才能維持激光性能。在 RAD 中，機(jī)械應(yīng)變能直接耦合到晶格中，避免了這些低效率并將系統(tǒng)級(jí)需求降低了十到百分之一。

△水平和垂直試件的極限抗拉強(qiáng)度 (UTS) 和伸長率值。圖片來自 MDPI。

Reverb Industrial 和亞利桑那州立大學(xué)聯(lián)合推出 RAD 技術(shù)，將其視為一種獨(dú)特的增材制造方法。該方法通過非熔化方式對(duì)金屬線材進(jìn)行成型和連接，避免了諸如吸收率變化、熔池不穩(wěn)定和高熱梯度等常見問題。雖然由于層間邊界處氧化物的夾雜，沿構(gòu)建方向的延伸率仍然有限，但RAD工藝仍展現(xiàn)出高密度、高強(qiáng)度和卓越的能源效率。