研究人員開發(fā)節(jié)能金屬3D打印新方法，采用共振輔助沉積技術

2025年9月1日，南極熊獲悉，總部位于加州的先進制造技術開發(fā)商Reverb Industrial與亞利桑那州立大學合作，展示了一種新的金屬 3D 打印方法，可避免熔化并大幅降低功耗。

這項發(fā)表以題為“The Production of Three-DimensionalMetal Objects Using Oscillatory-Strain-Assisted Fine Wire Shaping and Joining”的論文在MDPI上發(fā)表。

論文鏈接：https://www.mdpi.com/1996-1944/17/10/2188

研究表明，共振輔助沉積(RAD) 技術僅需 100 至 300瓦的機器功率即可制造致密的鋁合金部件。相比之下，激光粉末床熔融系統(tǒng)的運行功率通常為 10 至 20 千瓦，加工每公斤鋁合金消耗 300 至 500 兆焦耳，相當于每立方厘米約 1 兆焦耳。

RAD 技術基于高頻振蕩應變降低金屬表觀屈服應力并增強界面擴散的現象。在實踐中，打印系統(tǒng)在沉積過程中施加頻率為40千赫茲、振幅低于幾十微米的振動。每個循環(huán)將一段線材原料塑造成扁平體素，同時促進原子與鄰近材料的擴散。這些綜合效應使得成型和連接無需加熱即可進行，從而使團隊能夠打印凈成形的6061鋁結構。組件包括具有高長寬比的薄壁樣品，這對于基于熔合的技術通常具有挑戰(zhàn)性。早期研究表明，振蕩應變在降低屈服應力方面的效率大約是加熱的30倍，并且在實際系統(tǒng)中，傳熱損失會進一步降低效率，這種效果會被放大。

△采用RAD 技術連接純鋁和純鎳界面的明場 TEM 圖像。圖片來自MDPI。

研究人員構建了一個三軸運動平臺，其中構建板在 XY 平面內移動，打印頭在 Z 方向移動。由加州細線公司提供的直徑為 0.35 毫米的鋁 6061-O 線材原料穿過連接到壓電換能器的空心剪切應變傳遞工具。原料的抗拉強度為140MPa，伸長率為 17.1%。在每個壓縮循環(huán)中，線材在沉積位置被塑造成體素，振蕩應變降低屈服應力并促進結合。工具抬起，橫向移動 1 毫米的步長，然后重復這一過程。在 0.6 和 0.7 毫米處測試軌道重疊，以比較完全填充和不完全重疊。刀具路徑使用兩個具有 ±45°填充模式的外壁，重疊條件決定是否存在空隙或空間填充是否完成。

顯微鏡揭示了連接機制的工作原理。當純鋁體素沉積在鎳上時，明場圖像顯示界面附近區(qū)域的缺陷密度很高，包括堆垛層錯。這些缺陷增強了擴散，產生了 80 至 140 納米寬的界面區(qū)。計算表明，如果僅通過加熱引起這種規(guī)模的擴散，則需要 320 至 420°C 的溫度。沉積期間的熱測量顯示溫度僅升高了 5 至 10°C，表明增強的擴散來自振蕩應變而不是熔化。跨 Al-Ni 界面的能量色散譜 (EDS) 線掃描證實了這種缺陷驅動機制產生的濃度梯度。測試裝置采用了 200 千伏的加速電壓和 5 納米的步長，可以定量測量元素擴散。初始接觸期間破裂的原生氧化層有時會被困在邊界處，從而影響后期的斷裂行為。

△用于打印組件的刀具路徑策略。圖片來自 MDPI。

機械性能反映了這些界面特性。對打印部件進行的微型計算機斷層掃描顯示，在重疊足夠的情況下，密度可達到原料的 99.95%。軌道間距為 0.7 毫米的樣品出現空隙，而軌道間距為 0.6 毫米的樣品則接近完全固結。以每分鐘 150 毫米的速度對水平和垂直打印的試樣進行拉伸試驗，結果顯示極限強度約為退火原料線的 75%。研究發(fā)現強度的各向異性較低，但伸長率的各向異性較高。垂直試樣沿氧化物被捕獲的界面表現出脆性斷裂，而水平試樣表現出更具延展性的行為。斷裂表面圖像顯示層間區(qū)域出現廣泛的塑性變形，但富含氧化物的區(qū)域出現脆性分離。表面粗糙度測試表明頂層的 Ra 值為 10-20 微米，而側壁的Ra 值為 15-25 微米。沿垂直表面的扇形輪廓類似于聚合物擠壓印刷中常見的圖案。

能耗數據凸顯了與傳統(tǒng)方法的對比。在體素級別，RAD 需要每立方毫米 3.79 × 10⁻⁴ 焦耳進行成型和連接。激光粉末床熔合通常消耗每立方毫米約 100 焦耳，相差 5 個數量級。在機器規(guī)模上，即使使用構建板加熱進行過程中退火，RAD 平臺也會根據操作條件消耗 100 至 300 瓦的功率。相比之下，激光和電子束系統(tǒng)消耗數十千瓦。傳統(tǒng)的基于熔合的工藝在幾個階段效率降低，包括電光轉換、激光能量的吸收以及向周圍材料的熱傳遞。寄生加熱進一步增加了功耗，因為必須耗散額外的功率才能維持激光性能。在 RAD 中，機械應變能直接耦合到晶格中，避免了這些低效率并將系統(tǒng)級需求降低了十到百分之一。

△水平和垂直試件的極限抗拉強度 (UTS) 和伸長率值。圖片來自 MDPI。

Reverb Industrial 和亞利桑那州立大學聯合推出 RAD 技術，將其視為一種獨特的增材制造方法。該方法通過非熔化方式對金屬線材進行成型和連接，避免了諸如吸收率變化、熔池不穩(wěn)定和高熱梯度等常見問題。雖然由于層間邊界處氧化物的夾雜，沿構建方向的延伸率仍然有限，但RAD工藝仍展現出高密度、高強度和卓越的能源效率。