太冷門：固相摩擦金屬3D打印技術，國內發(fā)展幾何？

導讀：在制造業(yè)的發(fā)展歷程中，技術的革新總是帶來生產力的飛躍。固相摩擦增材技術，也稱攪拌摩擦沉積3D打印技術，作為一種新興的金屬3D打印技術，正以其獨特的優(yōu)勢在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領域掀起一場制造革命。

固相摩擦增材技術能夠在固態(tài)條件下進行材料加工，能夠有效避免熔融過程中可能產生的缺陷，確保材料的力學性能優(yōu)良。此外，固相摩擦增材技術還具有較低的能耗和材料浪費，符合當前社會對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求。這種技術通過固態(tài)加工方式，實現(xiàn)了材料的高效利用和零件性能的顯著提升，為復雜結構的制造提供了更多可能。

在第四屆航空航天大會上，南極熊看到了航天工程裝備（蘇州）有限公司（AEE）展出的固相摩擦增材技術打印的多個零件。經過檢索發(fā)現(xiàn)，這項技術幾年前在國內還處于空白狀態(tài)，而如今國內已經有多家單位正在開展相關研究甚至開發(fā)出了相關的技術裝備，例如：天津大學固相摩擦擠壓增材制造技術團隊，陜西智拓公司等。

固相摩擦增材技術概覽

固相摩擦增材技術是一種創(chuàng)新的制造工藝，它通過在低于材料熔點的溫度下進行分層切片和擴散焊接，逐層堆積金屬材料，形成復雜的三維結構。與傳統(tǒng)熔融增材制造不同，這一技術避免了熔化和再凝固的過程，從而提高了材料的力學性能和致密性。該技術的核心在于對一個固體進料桿（打印材料）進行加熱和旋轉，并向下推進，當送料桿接觸到下面的基材時，通過摩擦粘在基材上，利用摩擦熱將材料加熱至發(fā)生塑性變形，但絕不會熔化。然后通過攪拌工具將加熱的材料均勻混合，最終在目標形狀上沉積成型。

△獲得專利的MELD固態(tài)工藝。照片來自MELD制造。

此前，南極熊曾對國外MELD制造公司推出的攪拌摩擦沉積3D打印技術展開過系統(tǒng)介紹：比SLM快十倍的攪拌摩擦沉積3D打印技術，MELD制造公司與大學合作推進新技術研究-南極熊3D打印網 - 平臺。與主流的激光、電子束和電弧增材制造技術相比，固相摩擦擠壓增材制造工藝具有以下優(yōu)勢：低熱影響區(qū)：由于材料是在固態(tài)下加工，熱影響區(qū)較小，能夠有效減少材料變形和組織變化，可獲得無凝固缺陷、完全致密、低殘余應力且力學性能優(yōu)異的金屬零部件；

1)     優(yōu)越的力學性能：成型后材料的強度和韌性通常優(yōu)于傳統(tǒng)熔融增材制造的材料；

2)     廣泛的材料適用性：可適用于鋁、鎂、銅等多種金屬材料，拓寬了應用領域；

3)     制造高效可持續(xù)：增材沉積速度高數(shù)倍，沉積過程綠色環(huán)保、生產效率高；

4)     開放式工作環(huán)境：不需要保護氣或昂貴的真空系統(tǒng)，可以打印超大型金屬零件。

固相摩擦增材技術的應用領域廣泛，涵蓋航空航天、汽車制造、模具制造等多個行業(yè)。在航空航天領域，該技術可以用于制造高強度和高可靠性的結構件，滿足極端環(huán)境下的使用要求。在汽車行業(yè)，利用該技術能夠有效降低重量，提高燃油效率，同時保持結構強度。

國內固相摩擦增材技術的進展

幾年前，固相摩擦增材技術在中國國內還處于空白狀態(tài)，僅有美國MELD制造公司開展相關的研究。然而，國內如今已經有多家單位開發(fā)出了這項技術。

AEE與澳門發(fā)展及質量研究所聯(lián)合研制的攪拌摩擦固相增材設備，是國內首臺科研型設備，標志著中國在這一領域的重大突破。該設備采用橋式結構設計，可搭載傳統(tǒng)機械刀柄和具備數(shù)據采集及智能閉環(huán)控制功能的“智慧刀柄”，使用10毫米合金棒料為原材料，能夠進行輕質合金固相增材制表面改性、涂層制備及新材料研發(fā)，可實現(xiàn)有色金屬、黑色金屬、異質合金、高溫合金等材料的固相制造。相關設備已順利交付北京科技大學使用，將用于相關實驗室的基礎科研與前沿技術探索。

AEE作為國家級“專精特新”小巨人企業(yè)，其在攪拌摩擦固相增材領域的技術和服務優(yōu)勢顯著。公司與IDQ團隊聯(lián)合攻關，針對客戶需求進行了定制化設計，并申請了攪拌摩擦固相增材共有知識產權專利三十余項，發(fā)表SCI論文十余篇。這些成就不僅推動了國內智能制造工藝裝備的發(fā)展，也為我國在全球固態(tài)增材制造技術領域中贏得了一席之地。

除了航天工程裝備（蘇州）有限公司，國內也有多家單位在固態(tài)增材技術方面進行深入研究和開發(fā)。其中，天津大學固相摩擦擠壓增材制造技術團隊是國內固相摩擦金屬增材制造工藝的開拓者：天津大學成功開發(fā)固相摩擦擠壓增材制造技術及設備-南極熊3D打印網 - 平臺。該團隊擁有一支由教授為核心，博士生和碩士生組成的高水平研發(fā)團隊，致力于為固相摩擦擠壓增材制造工藝及相關的優(yōu)質技術服務。研究團隊不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，以提升材料的性能和打印效率。他們自主研發(fā)出國內首臺連續(xù)送棒料固相摩擦擠壓增材制造裝備，已完全掌握多種鋁合金和鎂合金超大尺寸結構件的增材制造核心工藝，目前處于產業(yè)化階段。產品的核心價值在于解決了目前主流金屬增材制造技術很難制備大尺寸(米級)、高性能及高承載增材結構件的局限性，尤其為鋁及鎂合金結構件增材制造開辟新途徑。

固相摩擦擠壓增材制造設備及試驗工作平臺(2020年)

陜西智拓公司也是固相摩擦增材技術的積極參與者，專注于技術的實際應用和市場推廣：曝光：固相增材制造技術，陜西智拓1200噸位-南極熊3D打印網 - 平臺。該公司的固相增材制造技術是通過分層切片和擴散焊接的方式，將金屬材料逐層堆積，形成復雜的三維結構。技術原理在于在低于材料熔點的溫度下進行固相焊接，避免了熔化和再凝固的過程，從而提高了材料的力學性能和致密性。陜西智拓的技術優(yōu)勢在于快速成型、材料多樣性以及成本效益，尤其在小批量生產和復雜產品制造中展現(xiàn)出較高的成本效益。目前，該公司正在通過與多家科研機構合作，加快固態(tài)增材技術的商業(yè)化進程，為國內相關行業(yè)的快速發(fā)展貢獻了力量。

結語

固相摩擦增材技術以其獨特的優(yōu)勢，正在成為航空航天制造領域的關鍵技術之一。從航天工程裝備（蘇州）有限公司的成功實踐，到天津大學和陜西智拓等單位的積極探索，國內在這一技術領域的研究正在蓬勃發(fā)展。相信隨著國內越來越多企業(yè)和研究機構的深入研究和技術創(chuàng)新，這項技術的應用范圍將進一步擴大，不僅在航空航天領域，還將在汽車、醫(yī)療等多個行業(yè)發(fā)揮重要作用。未來，隨著技術的不斷成熟和應用的不斷拓展，固相摩擦增材技術有望為全球制造業(yè)帶來革命性的變化。南極熊也將持續(xù)關注這一技術的發(fā)展，為讀者帶來最新的行業(yè)動態(tài)和技術進展。

國產固相增材技術來了