美國LLNL實(shí)驗(yàn)室“金屬直寫”技術(shù)，或克服目前金屬3D打印的不足?

作為全球領(lǐng)先的3D打印研究中心之一，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在金屬3D打印領(lǐng)域碩果累累，LLNL不僅致力于復(fù)雜金屬3D打印零部件的開發(fā)，通過他們的建模能力、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和不確定性分析來優(yōu)化3D打印金屬零件，還致力于研發(fā)金屬3D打印的新材料和新工藝。

最近三年以來，LLNL 開展了一個新的金屬3D打印技術(shù)研究項(xiàng)目–金屬直寫技術(shù)（Direct Metal Writing），并希望通過該技術(shù)克服目前粉末床3D打印技術(shù)所存在的不足。

擠出半固體的金屬材料

金屬直寫技術(shù)（Direct Metal Writing）是由LLNL與伍斯特理工學(xué)院合作進(jìn)行研發(fā)的。與粉末床3D打印技術(shù)不同的是，金屬直寫技術(shù)所使用的打印材料不是金屬粉末，而是由金屬鑄塊加熱而成的半固體狀材料，材料中的固體金屬顆粒被液體金屬所包圍，呈現(xiàn)出膏體一樣的狀態(tài)。像膏體一樣的金屬材料在壓力的作用下，通過打印噴嘴擠出。

LLNL實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家指出，這是一種剪切稀化材料，當(dāng)材料靜止時，固體金屬顆粒聚集從而使得結(jié)構(gòu)變?yōu)楣虘B(tài)。當(dāng)材料流動時，固體顆粒就會斷裂，從而使材料變得像液體基質(zhì)一樣。這種材料在冷卻時變得堅硬，因而在金屬直寫技術(shù)3D打印的零件中氧化物和殘余應(yīng)力更少。

以往在進(jìn)行金屬零部件的3D打印時，分析和驗(yàn)證零部件的缺陷是一個很大的工作量，而金屬直寫3D打印技術(shù)的成熟將有可能減少這些工作。

前期進(jìn)行的打印零件測試取得了成功，但LLNL表示該技術(shù)目前尚未成熟，接下來還需要探索打印精度更高的工業(yè)級材料，如鋁和鈦。

LLNL 通過金屬直寫設(shè)備3D打印鉍錫混合物材料

在項(xiàng)目小組2017年2月發(fā)表于Applied Physics Letters 期刊的論文中，可以看到研究小組已使用熔點(diǎn)低于300攝氏度的鉍錫混合物材料來打印零件，由于在打印中遇到了固體金屬堵塞噴頭的問題，該試驗(yàn)經(jīng)過多次迭代才取得成功。

LLNL的工程師Andy Pascall表示，金屬直寫3D打印技術(shù)研發(fā)的一個關(guān)鍵點(diǎn)是，如何精確控制溫度和材料的流動，掌握材料的流動屬性。目前，研究小組已經(jīng)可以對流動進(jìn)行良好的控制，打印出自支撐結(jié)構(gòu)。據(jù)通項(xiàng)的市場研究，LLNL實(shí)驗(yàn)的高性能計算能力可以準(zhǔn)確模擬材料的流動，該技術(shù)在開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的“直接墨水書寫”3D打印工藝時已經(jīng)應(yīng)用過。當(dāng)時，LLNL模擬了碳纖維復(fù)合材料流經(jīng)3D打印機(jī)噴頭，以數(shù)以千計的液滴形成固體的過程。

在打印材料方面，研究小組正在研究可應(yīng)用于金屬直寫3D打印技術(shù)的鋁合金材料，但由于鋁合金材料熔點(diǎn)較高，這項(xiàng)研究中尚存在一些需要攻克的問題。如果能夠成功開發(fā)出鋁合金材料，那么該技術(shù)將引起航空航天、交通等行業(yè)用戶的興趣。