无须高能热源、不需气体保护,能以10倍速度成型的金属3D打印技术 

由 3D打印技术参考 发布于 2020-11-04 10:33 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),3D打印资源库经授权发布。

传统的金属增材制造技术均采用高能热源将材料熔化,这在材料的熔化/凝固过程中难免产生缺陷。本期我们要介绍的是一种新型的增材制造技术,它完全不基于高能热源,也不需要保护气氛,还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件,它就是搅拌摩擦增材制造技术。近日,美国公司Meld Manufacturing采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件。
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3D打印的直径3.05米的零件

搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术,它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料,再通过轴向的压力使得材料连接在一起。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固,只是经过塑性软化和轴向的挤压,连接处在材料性能上存在一定的优势。
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搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦增材制造就是基于搅拌摩擦焊的原理,把分离部件“连接”变成纵向的“堆积”,材料在高速旋转的刀具作用下摩擦生热,同时搅拌针的旋转使得前进侧的材料跑到返回侧,这样摩擦以及塑性变形产生的热量使材料软化,再在刀具的纵向压力下形成熔核组织; 刀具在控制系统的控制下按照预定的轨迹运动就会形成一个由焊核组织构成的“纯核”构件,最终实现增材制造。
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Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程

搅拌摩擦增材制造的三种进料方式

笔者查询资料发现,搅拌摩擦焊增材制造有三种进料方式,分别是板材、旋转棒料和粉末三种。基于板材的进料方式很容易理解,但从Meld Manufacturing的制造过程来看,很显然不是这种方式。从其原理图可以看出,它采用的应当是棒材进料。
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meld manufacturing搅拌摩擦增材制造原理
meld manufacturing搅拌摩擦增材制造视频演示

以棒材的进料方式已经证明了可以得到多道多层的成型件,其最大的特点是在送料和刀具上,也就是进料棒还充当了“刀具”的角色,起到摩擦挤压的作用,所以此模式的材料利用率很高。对于以板材为进料的方式,其进料上主要是根据需要逐层添加板材,然后用独立的刀具进行摩擦增材制造,在材料利用率上打了很大折扣,而且由于进料板的先前形状,在成型件形状上有了限制,所以成型控制性较差。另外,此方式需要夹具对进料板进行固定,给加工过程带来不便。以粉料添加进料的方式,可随刀具运动实时添加,具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。
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基于多层板材的搅拌摩擦焊

搅拌摩擦增材制造的技术优势


这三种进料方式的一个共同特点,也是该技术本质上的优势,就是经过摩擦搅拌过程可以得到性能良好的微观结构(细晶组织),而这正是实现良好机械性能的本质。进料通过与搅拌针摩擦生热,发生塑性软化,然后再通过两者的挤压,实现增材过程。在这样的过程中,材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态,且过程中的挤压又起到“锻造”作用,最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能,且能改善材料的延展性,这也是材料提高强度等性能的原因。
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Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件

此外,由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程,材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题,生产过程可以在露天环境中进行,所制造的部件的尺寸显著增加。

同其他大型金属增材制造技术一样,该技术所制造的零件需要通过铣削才能获得最终成品。

搅拌摩擦增材制造可成型材料和应用

虽然可查询到的资料多以铝合金的搅拌摩擦增材制造居多,但Meld Manufacturing已经成功开发出钛合金、铜合金、不锈钢以及镍基合金等主流材料的3D打印工艺。所制造的IN625的疲劳寿命相比原料棒材提高了4倍,并能够以至少10倍于粉末熔融工艺的速度进行材料沉积。而且,该工艺能够制造多金属材料和梯度材料。
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Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造的铜合金部件

Meld Manufacturing的搅拌摩擦增材制造技术已经在大型卡车和国防装甲车辆中获得应用,该公司被美国陆军选为远征技术服务商,使其尽可能靠近战场进行维修和生产战斗车辆部件,同时提高整体效率并降低成本。

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