科學(xué)家研究將半固態(tài)金屬成形技術(shù)用于3D打印

        眾所周知，在當(dāng)前的3D打印領(lǐng)域數(shù)量最多，更被如普通消費(fèi)者所知的是那些各種各樣是由塑料絲作為3D打印材料的FDM桌面型3D打印機(jī)。雖然這種機(jī)器很有趣，在產(chǎn)品原型和設(shè)計(jì)方面非常有用，但是在制造最終產(chǎn)品方面就顯得力有未逮了。目前這使用塑料材料的3D打印物體堅(jiān)固性和精細(xì)程度都不夠。

        因此，那些專注于可使用最終產(chǎn)品的3D打印公司往往依賴于金屬3D打印技術(shù)。不過，目前的金屬3D打印技術(shù)也是有缺陷的，比較常見的一種金屬3D打印技術(shù)是使用高能激光逐層燒結(jié)金屬粉末來生成3D對象，這種技術(shù)被稱為選擇性激光燒結(jié)（SLS），能夠打印出十分詳細(xì)的對象，但也有自己固有的問題。

        這些顆粒狀的金屬材料，往往氧化物含量偏高，限制了金屬固有的強(qiáng)度、耐久性。尤其是在進(jìn)行燒結(jié)的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)縫隙，使得其微觀結(jié)構(gòu)沒那么致密。美國馬薩諸塞州Worcester 理工學(xué)院機(jī)械工程教授Dirian Apelian指出：

        這是一個(gè)非常糟糕的事情。這就像一個(gè)玻璃面板上的小針孔，如果很多地方都有孔的話玻璃就很容易斷裂。這些需要高溫才能熔化的合金粉末很難制造，而且有很多氧化物，這使得它的強(qiáng)度很有限，并且容易失敗 。

        其它對于金屬3D打印不利的因素是材料質(zhì)量和可供選擇的種類缺乏。只有少數(shù)的合金適合于SLS 3D打印，并且供應(yīng)充足。正如專業(yè)從事金屬3D打印的Viridis 3D公司的聯(lián)合創(chuàng)始人James Bredt說：“這是一個(gè)小市場。 這些金屬粉末的生產(chǎn)廠家往往是為各種不同行業(yè)供應(yīng)粉末的大公司。大多數(shù)并不是專門用于這些激光燒結(jié)設(shè)備的。他們并沒有針對激光燒結(jié)工藝生產(chǎn)高純度的金屬粉末�！�

        這一現(xiàn)狀激發(fā)了Apelian博士聯(lián)同勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員以及Viridis 3D公司，共同發(fā)起了一個(gè)研究項(xiàng)目。


        Dirian Apelian博士，研究小組負(fù)責(zé)人

        他們共同研究利用可擠出的半固體金屬來代替激光燒結(jié)金屬粉末。這些讓人興奮的新金屬材料可以克服一切金屬3D打印相關(guān)的問題，并可能會(huì)引起3D打印行業(yè)的革命。

        很有可能，這將導(dǎo)致更強(qiáng)、更堅(jiān)固、更耐久的3D打印對象。并可用于醫(yī)療、汽車、航空航天等多種領(lǐng)域。此外，由于不需要高溫加熱，這種使用半固體金屬材料的方法也大幅降低了所需的能源成本，從而降低了整體成本。

        然而，控制半固態(tài)金屬并不像FDM技術(shù)擠出塑料線材那樣簡單。有很多問題需要解決：“怎么控制這些糊狀的金屬進(jìn)行沉積并獲得相當(dāng)高的精度？如何控制其觸變性？當(dāng)施加一定的力后這些流體如何變化？如何確保它是以一個(gè)可控的方式流動(dòng)？”

        Apelian表示，他們很可能還需要一年半的時(shí)間才能在測試環(huán)境中使用半固態(tài)金屬。所以這一革命性的概念離真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

        背景資料：半固態(tài)金屬成形技術(shù)

        半固態(tài)金屬成形技術(shù)，就是金屬在凝固過程中，進(jìn)行劇烈攪拌，或控制固-液態(tài)溫度區(qū)間，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻的懸浮著一定固相組分的固液混合漿料(固相組分甚至可高達(dá)60%)。這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，即半固態(tài)金屬漿料具有很好的活動(dòng)性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品。采用這種既非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，就稱為半固態(tài)金屬成形技術(shù)。

        半固態(tài)金屬成形件表面平整光滑，鑄件內(nèi)部組織致密，內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能高，可接近或達(dá)到變形材料的性能。