2023年2月18日，據(jù)資源庫了解，近日，來自中國西安交通大學(xué)，火箭軍工程大學(xué)，蘇州科技大學(xué)，溫州大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種用鈦絲加固3D打印鋁的方法。

相關(guān)論文以《基于線材的新型高性能鈦纖維增強(qiáng) Al5183 鋁合金的定向能量沉積》（Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy）為題發(fā)表在《Science Direct》期刊上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423000581

事實(shí)上，增強(qiáng)材料并不是3D打印的新方法。3D 打印中使用的許多最常見的聚合物都非常脆弱，多年來一直阻礙著它們在最終使用場景中的使用。當(dāng)更多有趣的高溫工程材料以及增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)時(shí)，這種情況開始發(fā)生變化。

最常見的復(fù)合3D打印材料使用短切碳纖維，纖維與聚合物混合確實(shí)大大加強(qiáng)了零件。一些公司，如意大利的Roboze，表示這些部件足夠堅(jiān)固，可以在許多低熱情況下替代金屬部件。

然而，短切碳纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及連續(xù)碳纖維。包括Markforged和Anisoprint在內(nèi)的幾家公司已經(jīng)開發(fā)出連續(xù)纖維3D打印機(jī)，可以在聚合物打印過程中鋪設(shè)連續(xù)的碳纖維線，從而制造出非常堅(jiān)固的部件。

但是，所有這些增強(qiáng)方法都用于聚合物材料。資源庫此前從未聽說過增強(qiáng)金屬材料，因?yàn)榈湫偷姆椒ㄊ菄L試使用不同的金屬合金來增加零件強(qiáng)度。現(xiàn)在看來實(shí)際上有一種方法可以以類似的復(fù)合方式生產(chǎn)連續(xù)金屬。

使用鋁和鈦材料的實(shí)驗(yàn)性WAAM打印頭，圖片來自：ScienceDirect

5xxx鋁合金由于具有良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們的強(qiáng)度不如2XXX系列和7XXX系列鋁合金同類產(chǎn)品，限制了它們在高承載條件下的應(yīng)用。

據(jù)研究人員表示，為了提高增材制造的Al5183鋁合金的機(jī)械性能，鈦纖維增強(qiáng)鋁 (TFRA) 部件首次通過使用雙線進(jìn)給的線材定向能量沉積電弧制造 (DED-arc) 制造系統(tǒng)。通過仔細(xì)控制其進(jìn)料路徑和電弧熱輸入，增強(qiáng)鈦纖維保持固態(tài)。鈦合金絲與鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米，化學(xué)成分呈梯度過渡，無明顯開裂傾向。

結(jié)果表明，與非纖維增強(qiáng)鋁部件相比，通過添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維，TFR 部件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了124%和33%。同時(shí)，其沖擊能量從原來的7.9–18.0 J增加了128%。增加的強(qiáng)度通過混合定律理論進(jìn)行了分析，并通過有限元模擬得到了驗(yàn)證。TFRA部件的抗沖擊性能提高是由于鈦纖維阻止了鋁基體中的裂紋擴(kuò)展。因此，這項(xiàng)工作為通過DED-arc制造具有連續(xù)纖維的高強(qiáng)度鋁合金提供了一種有前途的方法。

在這里，我們可以看到研究人員使用電弧增材制造(WAAM)統(tǒng)作為他們的基礎(chǔ)。WAAM方法是以電弧為熱源，以線材為原料，將實(shí)心焊絲熔化擠壓成型。這項(xiàng)技術(shù)在3D打印領(lǐng)域廣為人知，處于此領(lǐng)域的公司包括Meltio，MX3D，AML3D等。

研究人員的修改包括第二個(gè)送絲，選擇鋁作為基礎(chǔ)材料，鈦?zhàn)鳛檩o助增強(qiáng)材料。鈦的熔化溫度遠(yuǎn)高于鋁，溫差允許真正的鋁3D打印，但在鋁結(jié)構(gòu)中逐層嵌入鈦鏈。

鋁是一種受歡迎的材料，因?yàn)樗枰^少的熱量來熔化，但與此同時(shí)，它的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及其他常用的金屬，例如不銹鋼，當(dāng)然還有鈦。這種新方法似乎能夠生產(chǎn)比純鋁部件強(qiáng)度高得多的輕質(zhì)鋁部件——同時(shí)不需要顯著增加熱量。

這是一種我們尚未在任何商業(yè)金屬3D打印機(jī)中看到的新方法，但對于初創(chuàng)公司或已經(jīng)提供WAAM的公司來說，這似乎是一種有趣的可能性。

2023年2月18日，據(jù)資源庫了解，近日，來自中國西安交通大學(xué)，火箭軍工程大學(xué)，蘇州科技大學(xué)，溫州大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種用鈦絲加固3D打印鋁的方法。

相關(guān)論文以《基于線材的新型高性能鈦纖維增強(qiáng) Al5183 鋁合金的定向能量沉積》（Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy）為題發(fā)表在《Science Direct》期刊上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423000581

事實(shí)上，增強(qiáng)材料并不是3D打印的新方法。3D 打印中使用的許多最常見的聚合物都非常脆弱，多年來一直阻礙著它們在最終使用場景中的使用。當(dāng)更多有趣的高溫工程材料以及增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)時(shí)，這種情況開始發(fā)生變化。

最常見的復(fù)合3D打印材料使用短切碳纖維，纖維與聚合物混合確實(shí)大大加強(qiáng)了零件。一些公司，如意大利的Roboze，表示這些部件足夠堅(jiān)固，可以在許多低熱情況下替代金屬部件。

然而，短切碳纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及連續(xù)碳纖維。包括Markforged和Anisoprint在內(nèi)的幾家公司已經(jīng)開發(fā)出連續(xù)纖維3D打印機(jī)，可以在聚合物打印過程中鋪設(shè)連續(xù)的碳纖維線，從而制造出非常堅(jiān)固的部件。

但是，所有這些增強(qiáng)方法都用于聚合物材料。資源庫此前從未聽說過增強(qiáng)金屬材料，因?yàn)榈湫偷姆椒ㄊ菄L試使用不同的金屬合金來增加零件強(qiáng)度。現(xiàn)在看來實(shí)際上有一種方法可以以類似的復(fù)合方式生產(chǎn)連續(xù)金屬。

使用鋁和鈦材料的實(shí)驗(yàn)性WAAM打印頭，圖片來自：ScienceDirect

5xxx鋁合金由于具有良好的焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們的強(qiáng)度不如2XXX系列和7XXX系列鋁合金同類產(chǎn)品，限制了它們在高承載條件下的應(yīng)用。

據(jù)研究人員表示，為了提高增材制造的Al5183鋁合金的機(jī)械性能，鈦纖維增強(qiáng)鋁 (TFRA) 部件首次通過使用雙線進(jìn)給的線材定向能量沉積電弧制造 (DED-arc) 制造系統(tǒng)。通過仔細(xì)控制其進(jìn)料路徑和電弧熱輸入，增強(qiáng)鈦纖維保持固態(tài)。鈦合金絲與鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米，化學(xué)成分呈梯度過渡，無明顯開裂傾向。

結(jié)果表明，與非纖維增強(qiáng)鋁部件相比，通過添加10.5%體積分?jǐn)?shù)的鈦纖維，TFR 部件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了124%和33%。同時(shí)，其沖擊能量從原來的7.9–18.0 J增加了128%。增加的強(qiáng)度通過混合定律理論進(jìn)行了分析，并通過有限元模擬得到了驗(yàn)證。TFRA部件的抗沖擊性能提高是由于鈦纖維阻止了鋁基體中的裂紋擴(kuò)展。因此，這項(xiàng)工作為通過DED-arc制造具有連續(xù)纖維的高強(qiáng)度鋁合金提供了一種有前途的方法。

在這里，我們可以看到研究人員使用電弧增材制造(WAAM)統(tǒng)作為他們的基礎(chǔ)。WAAM方法是以電弧為熱源，以線材為原料，將實(shí)心焊絲熔化擠壓成型。這項(xiàng)技術(shù)在3D打印領(lǐng)域廣為人知，處于此領(lǐng)域的公司包括Meltio，MX3D，AML3D等。

研究人員的修改包括第二個(gè)送絲，選擇鋁作為基礎(chǔ)材料，鈦?zhàn)鳛檩o助增強(qiáng)材料。鈦的熔化溫度遠(yuǎn)高于鋁，溫差允許真正的鋁3D打印，但在鋁結(jié)構(gòu)中逐層嵌入鈦鏈。

鋁是一種受歡迎的材料，因?yàn)樗枰^少的熱量來熔化，但與此同時(shí)，它的強(qiáng)度遠(yuǎn)不及其他常用的金屬，例如不銹鋼，當(dāng)然還有鈦。這種新方法似乎能夠生產(chǎn)比純鋁部件強(qiáng)度高得多的輕質(zhì)鋁部件——同時(shí)不需要顯著增加熱量。

這是一種我們尚未在任何商業(yè)金屬3D打印機(jī)中看到的新方法，但對于初創(chuàng)公司或已經(jīng)提供WAAM的公司來說，這似乎是一種有趣的可能性。