中國(guó)石油大學(xué)《JMPT》：提出超聲波輔助直寫金屬增材制造技術(shù)！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：與激光增材制造相比，直寫金屬增材制造具有以下優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，設(shè)備體積小，制造成本低。但是，目前直接直寫金屬增材制造技術(shù)廣泛使用含金屬粉末懸浮液作為“墨水”，這需要成型后燒結(jié)，總是導(dǎo)致機(jī)械性能差。氣動(dòng)擠出技術(shù)，使用純?nèi)廴诮饘僮鳛椤澳�水”，也存在由于無法形成成型性能差的問題精確控制孔口處的流量。本文提出一種新的超聲波輔助金屬直寫技術(shù)。利用送料金屬絲的擠壓效應(yīng)和超聲波對(duì)熔融渣的破碎作用，避免了熔渣吸附聚結(jié)引起的堵塞現(xiàn)象。此方法可以實(shí)現(xiàn)孔口處金屬流速的實(shí)時(shí)控制，長(zhǎng)時(shí)間打印流暢。3D金屬使用自制桌面打印機(jī)通過修改商業(yè)3D打印成型質(zhì)量好的零件打印機(jī)，專為直接塑料而設(shè)計(jì)，展示了“將金屬寫入”的可行性和能力書寫塑料”。

近年來，增材制造技術(shù)得到了發(fā)展迅速并在以下領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力航空航天、醫(yī)學(xué)、能源和汽車。金屬添加劑在整個(gè)增材制造中具有最大的發(fā)展?jié)摿χ圃旒夹g(shù)，并將在未來發(fā)揮重要作用制造業(yè)。粉末床融合（PBF）和定向能沉積（DED）是金屬增材制造的兩種主流技術(shù)。雖然關(guān)于這兩種技術(shù)已經(jīng)有很多研究，但是現(xiàn)在仍然面臨加工精度低、能源利用效率低、粉體利用率低、制造成本高等問題。從發(fā)展的角度來看金屬制造趨勢(shì)和用戶要求，這些問題必須解決，而且需要進(jìn)一步普及金屬增材制造技術(shù)。

與主流增材制造技術(shù)相比，直寫金屬增材制造技術(shù)(DWMAM)采用集成嵌入式加熱裝置，能源效率高，制造成本低。DWMAM是一種基于金屬粉末或純?nèi)廴诮饘龠B續(xù)擠壓的沉積成形技術(shù)。N’jock 等人將基于poloxmer的水凝膠與金屬(100Cr6)粉末混合形成膏狀油墨，用柱塞擠壓膏狀油墨形成金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。除柱塞外，螺桿擠出機(jī)還可用于漿料狀油墨的擠出。例如，Singh等人在2021年使用螺桿擠出機(jī)將SS 17-4PH合金顆粒與聚合物混合制成膏狀墨水。Kurose等人在2020年使用裝載316 L不銹鋼顆粒的實(shí)心絲作為原料。裝載金屬粉末的金屬絲被送入熱擠出機(jī)，加熱成糊狀墨水，隨后被送入金屬絲擠出。雖然上述研究的擠壓方法和油墨配方不同，但都需要在孔口附近有粘彈性流體來精確控制3D打印的流量。

中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械與電子工程學(xué)院張彥振教授團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果以題“Ultrasonic-assisted direct writing metal additive manufacturing technique”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Journal of Materials Processing Tech上。

鏈接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622003417

圖1.（a） UADWMAM裝置示意圖和（b）超聲波輔助熱擠出機(jī)。

圖2.超聲波輔助熱擠出機(jī)的設(shè)計(jì)。（a）超聲波輔助熱擠出機(jī)的模擬分析和（b）阻抗特性。

圖3.玻璃管中的超聲輔助實(shí)驗(yàn)。（a）超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路波形;（b）-（h）玻璃管中的氣蝕過程。

圖4.超聲波輔助熔融液滴滴過程。（a）超聲波作用的熔融金屬滴落過程;（b）無超聲波作用下的熔融金屬的滴落過程;（c）沒有超聲波輔助的五次實(shí)驗(yàn)的總阻塞;（d）超聲波輔助下五次實(shí)驗(yàn)的總阻塞。

圖 5.（a）有和沒有超聲波作用的熔融金屬液滴的滴落周期和（b）液滴質(zhì)量。

圖 6.帶或不帶超聲波輔助的單程書寫金屬線。

圖 7.不同寫入速度下單程書寫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.（a）單程書寫金屬線的宏觀形貌;（b）截面圖不同的位置;（c）-（d）從截面視圖測(cè)量的寬度和高度;（e）寫入質(zhì)量和進(jìn)料質(zhì)量的比較。圖中所示的偏差為根據(jù)在三個(gè)位置測(cè)量的值計(jì)算。

圖 8.使用和不使用超聲波的不同形狀的 3D 金屬零件。（a） 3D金屬零件的書寫速度慢;（b） 3D金屬零件的書寫速度快;（c）方形的3D零件。

圖 9.具有不同層間粘接強(qiáng)度的均勻3D金屬零件。（a）彈簧形均勻三維金屬零件;（b）彈簧形狀的剖視圖均勻的3D金屬零件;（c）環(huán)形均勻的3D金屬零件;（d）環(huán)形均勻的3D金屬零件的剖視圖。

圖 10.不同形狀的3D金屬零件，具有良好的成型質(zhì)量。（a） 100-分層 3D 零件;（b）具有傾斜角度的 3D 零件;（c）大尺寸傾斜三維零件;（d）具有不同傾斜度的3D零件。

圖 11.成型件相同位置的顯微組織（a）具有和（d）無超聲波輔助，寫入速度為10 mm/s。（b）顯微硬度成型件。成型件相同位置的顯微組織（c）具有和（e）無超聲波輔助，寫入速度為16.67 mm / s。張力的骨折形態(tài)（F）有和（H）沒有超聲輔助。（g）三維成型零件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

綜上所述，超聲波輔助直寫金屬增材可以制造一種在擠出機(jī)孔口處增強(qiáng)熔融流速穩(wěn)定性的技術(shù)。低成本和簡(jiǎn)單基于桌面金屬增材制造原型設(shè)備的提出了以下原則。

基于超聲波輔助熱擠出機(jī)構(gòu)建仿真結(jié)果。超聲波輔助裝置得到優(yōu)化通過模擬，使其能夠?qū)崿F(xiàn)共振。金屬液與單程書寫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。經(jīng)驗(yàn)證，超聲波輔助可有效避免爐渣堵塞的發(fā)生，使孔口處的熔融金屬更穩(wěn)定。得益于熔融金屬流出的穩(wěn)定性及其長(zhǎng)期性寫入能力，UADWMAM技術(shù)能夠使得3D金屬零件具有光滑的表面和出色的成型精度。雖然使用低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行演示，但UADWMAM的原理與高熔點(diǎn)金屬兼容，只要熱擠出機(jī)具有熔化它們的能力。是的預(yù)計(jì)UADWMAM技術(shù)可用于開發(fā)臺(tái)式金屬打印機(jī)，進(jìn)一步降低制造業(yè)中金屬添加劑的成本。