麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)高速液態(tài)金屬3D打印技術(shù)，比同類(lèi)金屬增材工藝快10倍

2024年1月25日，南極熊獲悉，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型液態(tài)金屬快速打印技術(shù)，能夠在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出桌腿和椅子框架等大型零件。液態(tài)金屬打印 (LMP) 技術(shù)涉及將熔融鋁沿著預(yù)定路徑沉積到微小玻璃珠床上，然后鋁快速硬化成 3D 結(jié)構(gòu)。研究人員表示，LMP比同類(lèi)金屬增材制造工藝至少快10倍，而且加熱和熔化金屬的過(guò)程比其他一些方法更有效。

LMP技術(shù)確實(shí)為了速度和規(guī)模而犧牲了分辨率。雖然它可以打印比通常使用較慢的增材技術(shù)制造的部件更大的部件，并且成本較低，但它無(wú)法實(shí)現(xiàn)高分辨率。例如，用 LMP 生產(chǎn)的零件適用于建筑、施工和工業(yè)設(shè)計(jì)中的某些應(yīng)用，其中較大結(jié)構(gòu)的組件通常不需要極其精細(xì)的細(xì)節(jié)。它還可以有效地利用回收金屬或廢金屬進(jìn)行快速原型制作。

在最近的一項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)打印桌椅的鋁制框架和零件來(lái)演示這一過(guò)程，這些框架和零件的強(qiáng)度足以承受后處理加工。他們展示了如何將 LMP 制造的組件與高分辨率工藝和附加材料相結(jié)合來(lái)制造功能性家具。

麻省理工學(xué)院建筑系副教授、自組裝實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主任 Skylar Tibbits 說(shuō)道：“這是我們思考金屬制造的一個(gè)完全不同的方向，它具有一些巨大的優(yōu)勢(shì)。它也有缺點(diǎn)。但我們的大多數(shù)建筑世界（我們周?chē)�的東西，比如桌子、椅子和建筑物）并不需要極高的分辨率。速度和規(guī)模，以及可重復(fù)性和能耗，都是重要的指標(biāo)�！�

△液態(tài)金屬打印工藝涉及將熔融鋁沿著預(yù)定路徑沉積到微小玻璃珠床上。來(lái)源：麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室。

Tibbits 與主要作者 ZainKarsan SM '23 一起參與了這篇論文，他現(xiàn)在是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士生；以及 Kimball KaiserSM '22 和研究科學(xué)家兼實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主任 Jared Laucks。該研究在建筑計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)會(huì)議上發(fā)表，并于最近發(fā)表在該協(xié)會(huì)的會(huì)議記錄中。

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高速制造優(yōu)勢(shì)

電弧增材制造 (WAAM) 是構(gòu)建零部件中常見(jiàn)的一種金屬打印方法，也能夠生產(chǎn)大型、低分辨率的結(jié)構(gòu)。然而，這些材料可能容易破裂和變形，因?yàn)槟承┎糠直仨氃诖蛴∵^(guò)程中重新熔化。

另一方面，LMP 在整個(gè)過(guò)程中保持材料處于熔融狀態(tài)，避免了重熔引起的一些結(jié)構(gòu)問(wèn)題。借鑒該小組之前關(guān)于橡膠快速液體打印的研究成果，研究人員建造了一臺(tái)機(jī)器，可以熔化鋁，容納熔融金屬，并通過(guò)噴嘴高速沉積。只需幾秒鐘即可打印大型零件，然后熔融鋁在幾分鐘內(nèi)冷卻。

Karsan 說(shuō)道：“我們的制造速度確實(shí)很高，但也很難控制。這或多或少就像打開(kāi)水龍頭。你有大量的材料需要熔化，這需要一些時(shí)間，但一旦熔化，就像打開(kāi)水龍頭一樣。這使我們能夠非�？焖俚卮蛴∵@些幾何形狀。”

△LMP 工藝可以打印復(fù)雜的幾何形狀。來(lái)源：麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室

研究團(tuán)隊(duì)選擇鋁是因?yàn)樗�常用于制造業(yè)，并且可以廉價(jià)且高效地回收利用。Karsan說(shuō)：“面包大小的鋁片被放入電爐中，這基本上就像一個(gè)放大的烤面包機(jī)。爐內(nèi)的金屬線圈將金屬加熱至 700°C，略高于鋁的 660° 熔點(diǎn)。”

鋁在石墨坩堝中保持高溫，然后熔融材料通過(guò)陶瓷噴嘴沿預(yù)設(shè)路徑通過(guò)重力送入打印床。他們發(fā)現(xiàn)，可以熔化的鋁量越大，打印機(jī)的速度就越快。

Karsan 說(shuō)：“熔化的鋁會(huì)摧毀其路徑上的幾乎所有東西。我們從不銹鋼噴嘴開(kāi)始，然后轉(zhuǎn)向鈦噴嘴，最后才使用陶瓷噴嘴。但即使是陶瓷噴嘴也可能堵塞，因?yàn)閲娮旒舛说募訜岵⒉豢偸峭耆�均勻�！?/div>

研究人員通過(guò)將熔融材料直接注入顆粒狀物質(zhì)中，無(wú)需打印支撐物來(lái)支撐鋁結(jié)構(gòu)成型。

△研究人員可以調(diào)整液態(tài)金屬打印過(guò)程的進(jìn)給速率，以便隨著噴嘴的移動(dòng)沉積更多或更少的材料，從而改變打印物體的形狀。來(lái)源：麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室

試驗(yàn)過(guò)程

研究人員試驗(yàn)了幾種填充打印床的材料，包括石墨粉和鹽，然后選擇了100微米的玻璃珠。微小的玻璃珠可以承受熔融鋁的極高溫度，充當(dāng)中性懸浮液，因此金屬可以快速冷卻。Tibbits 說(shuō)道：“玻璃珠非常細(xì)膩，拿在手上感覺(jué)就像絲綢一樣。這種粉末非常小，不會(huì)真正改變打印物體的表面特性�！�

坩堝中熔融材料的量、打印床的深度以及噴嘴的尺寸和形狀對(duì)最終物體的幾何形狀影響最大。例如，首先打印物體直徑較大的部分，因?yàn)殡S著坩堝變空，噴嘴分配的鋁量逐漸減少。改變噴嘴的深度會(huì)改變金屬結(jié)構(gòu)的厚度。

為了幫助 LMP 過(guò)程，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型來(lái)估計(jì)在給定時(shí)間將沉積到打印床上的材料量。Tibbtes 表示，由于噴嘴會(huì)推入玻璃珠粉末，研究人員無(wú)法觀察熔融鋁的沉積情況，因此他們需要一種方法來(lái)模擬打印過(guò)程中某些點(diǎn)發(fā)生的情況。

研究人員使用 LMP 快速生產(chǎn)不同厚度的鋁框架，這些框架足夠耐用，可以承受銑削和鏜孔等加工工藝。他們展示了 LMP 和這些后處理技術(shù)的結(jié)合，以制造由低分辨率、快速打印的鋁制零件和其他組件（如木件）組成的椅子和桌子。

展望未來(lái)，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)迭代機(jī)器，以便能夠在噴嘴中實(shí)現(xiàn)一致的加熱，以防止材料粘附，并更好地控制熔融材料的流動(dòng)。較大的噴嘴直徑可能會(huì)導(dǎo)致打印不規(guī)則，因此仍然存在需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

Tibbits說(shuō)：“如果我們能讓這臺(tái)機(jī)器成為人們真正可以用來(lái)熔化回收鋁和打印零件的機(jī)器，那將改變金屬制造業(yè)的游戲規(guī)則。目前，它還不夠可靠，無(wú)法做到這一點(diǎn)，但這就是目標(biāo)�！�

負(fù)責(zé)家具公司 Emeco 業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的JayeBuchbinder說(shuō)道：“在Emeco，我們看到液態(tài)金屬打印創(chuàng)造出細(xì)致入微的幾何形狀，并具有完全結(jié)構(gòu)部件的潛力，這真的很引人注目。液態(tài)金屬打印確實(shí)能夠生產(chǎn)定制幾何形狀的金屬零件，同時(shí)保持其他打印或成型技術(shù)通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)的快速周轉(zhuǎn)。該技術(shù)絕對(duì)有可能徹底改變目前金屬打印和金屬成型的處理方式。”