鎂合金絲材DED激光金屬3D打印技術(shù)，更輕更堅硬

南極熊導(dǎo)讀：下面要介紹的鎂合金絲材DED激光金屬3D打印技術(shù)，非常具有產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值，值得中國工業(yè)界關(guān)注。

2024 年 6 月 13 日，南極熊獲悉，三菱電機公司、熊本大學(xué)鎂研究中心 (MRC)、東邦金屬株式會社和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu) (JAXA) 開發(fā)了首個采用定向能量沉積 (DED) 方法使用鎂合金進行高精度增材制造的激光絲材金屬 3D 打印機。釋放以無與倫比的精度和復(fù)雜性加工鎂合金的潛力，將為制造比鐵或鋁制成的部件更輕、更堅固的火箭、汽車和飛機部件鋪平道路，從而提高燃油效率，降低生產(chǎn)成本。此外，基于絲材激光金屬 3D 打印機的生產(chǎn)工藝將比傳統(tǒng)工藝更加節(jié)能，產(chǎn)生的溫室氣體排放更少，提高可持續(xù)發(fā)展能力。



自 2022 年 9 月以來，聯(lián)盟成員一直在 JAXA 創(chuàng)新未來太空運輸系統(tǒng)研究與開發(fā)計劃的框架下進行聯(lián)合研究（使用鎂合金線進行激光線 DED 方法增材制造加工技術(shù)的研究），致力于減輕火箭重量，從而大幅削減成本。近年來，由于電動汽車的轉(zhuǎn)向以及商用飛機的需求不斷增長等因素，減重的需求也隨之增加，因此鎂合金在這些領(lǐng)域受到關(guān)注。然而，鎂合金通常通過壓鑄加工，因此很難制造具有中空內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。此外，增材制造的主流粉末床熔融（PBF）方法，利用熱量選擇性地熔化金屬粉末，可能會因氧化或粉塵爆炸而導(dǎo)致降解，給安全生產(chǎn)帶來問題。

對此，該聯(lián)盟將三菱電機的金屬 3D 打印機與 MRC 開發(fā)的高度不易燃的 KUMADAI 耐熱鎂合金結(jié)合起來，采用絲材激光DED方法，用金屬線代替金屬粉末作為材料。在測試中，三菱電機采用先進的拉絲技術(shù)，使用東邦金屬生產(chǎn)的 KUMADAI 耐熱鎂合金重復(fù)了成型工藝，采用鎂合金絲作為增材制造材料并通過精確的溫度控制來防止燃燒的新技術(shù)。根據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）對采用這項新技術(shù)生產(chǎn)的增材制造生產(chǎn)樣品的評估，估計某些火箭部件比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)的部件輕約20%。


△ 3D 打印鎂合金樣品

相同的工藝可以廣泛應(yīng)用于其他也需要減輕重量的領(lǐng)域，包括各種運輸設(shè)備和機器人部件。因此，針對各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的進一步研究和開發(fā)將與三菱電機的工作同時進行，以期在 2029 年左右將絲材激光 DED 金屬 3D 打印機技術(shù)商業(yè)化。

鎂合金絲的增材制造結(jié)合了高加工性和高強度的優(yōu)點。MRC 研究了許多 KUMADAI 耐熱鎂合金，以找到一種即使是線材形式也具有阻燃性的增材制造材料。TOHO KINZOKU 開發(fā)了一種生產(chǎn)任何直徑和長度的增材制造線材的技術(shù)，并制造了原型線材，經(jīng)過三菱電機的廣泛測試，獲得了最佳的線材厚度和拉絲工藝。

高精度增材制造技術(shù)采用不易燃的鎂合金絲。三菱電機為線激光 DED 金屬 3D 打印機開發(fā)了一項技術(shù)，使用計算機數(shù)控 (CNC) 精確控制激光功率和線速度，以保持加工區(qū)域恒定溫度。這使得寬度為3mm的鎂合金能夠高精度且不燒焦地加工成任何形狀。與壓鑄不同，不需要模具——消除了更換模具的成本。

鎂合金增材制造結(jié)構(gòu)將使得火箭部件更輕。增材制造生產(chǎn)的樣品在室溫下達到了約 250 兆帕（MPa）的高拉伸強度，在 200 度左右的高溫下達到了約 220MPa 的高拉伸強度，優(yōu)于傳統(tǒng)方法。此外，樣品耐熱且不易燃。鎂合金比鋁和鐵更輕、更堅固，因此在汽車和飛機部件中的使用將有助于提高燃油效率和整體可持續(xù)性。與錠加工相比，最大限度地減少材料浪費將有助于提高加工能源效率并節(jié)省材料。

合作各方的分工：三菱電機負(fù)責(zé)使用鎂合金的增材制造技術(shù)的開發(fā)以及增材制造生產(chǎn)樣品的材料性能驗證；MRC負(fù)責(zé)增材制造鎂合金成分的選擇；東邦金屬負(fù)責(zé)鎂合金絲制造方法的開發(fā)；JAXA負(fù)責(zé)評估鎂合金增材制造生產(chǎn)樣品，評估對火箭減重的潛在影響。