中国石油大学《JMPT》：提出超声波辅助直写金属增材制造技术！

来源：材料学网

导读：与激光增材制造相比，直写金属增材制造具有以下优点：原理简单，设备体积小，制造成本低。但是，目前直接直写金属增材制造技术广泛使用含金属粉末悬浮液作为“墨水”，这需要成型后烧结，总是导致机械性能差。气动挤出技术，使用纯熔融金属作为“墨水”，也存在由于无法形成成型性能差的问题精确控制孔口处的流量。本文提出一种新的超声波辅助金属直写技术。利用送料金属丝的挤压效应和超声波对熔融渣的破碎作用，避免了熔渣吸附聚结引起的堵塞现象。此方法可以实现孔口处金属流速的实时控制，长时间打印流畅。3D金属使用自制桌面打印机通过修改商业3D打印成型质量好的零件打印机，专为直接塑料而设计，展示了“将金属写入”的可行性和能力书写塑料”。

近年来，增材制造技术得到了发展迅速并在以下领域显示出巨大的应用潜力航空航天、医学、能源和汽车。金属添加剂在整个增材制造中具有最大的发展潜力制造技术，并将在未来发挥重要作用制造业。粉末床融合（PBF）和定向能沉积（DED）是金属增材制造的两种主流技术。虽然关于这两种技术已经有很多研究，但是现在仍然面临加工精度低、能源利用效率低、粉体利用率低、制造成本高等问题。从发展的角度来看金属制造趋势和用户要求，这些问题必须解决，而且需要进一步普及金属增材制造技术。

与主流增材制造技术相比，直写金属增材制造技术(DWMAM)采用集成嵌入式加热装置，能源效率高，制造成本低。DWMAM是一种基于金属粉末或纯熔融金属连续挤压的沉积成形技术。N’jock 等人将基于poloxmer的水凝胶与金属(100Cr6)粉末混合形成膏状油墨，用柱塞挤压膏状油墨形成金属网格结构。除柱塞外，螺杆挤出机还可用于浆料状油墨的挤出。例如，Singh等人在2021年使用螺杆挤出机将SS 17-4PH合金颗粒与聚合物混合制成膏状墨水。Kurose等人在2020年使用装载316 L不锈钢颗粒的实心丝作为原料。装载金属粉末的金属丝被送入热挤出机，加热成糊状墨水，随后被送入金属丝挤出。虽然上述研究的挤压方法和油墨配方不同，但都需要在孔口附近有粘弹性流体来精确控制3D打印的流量。

中国石油大学（华东）机械与电子工程学院张彦振教授团队相关研究成果以题“Ultrasonic-assisted direct writing metal additive manufacturing technique”发表在国际著名期刊Journal of Materials Processing Tech上。

链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0924013622003417

图1.（a） UADWMAM装置示意图和（b）超声波辅助热挤出机。

图2.超声波辅助热挤出机的设计。（a）超声波辅助热挤出机的模拟分析和（b）阻抗特性。

图3.玻璃管中的超声辅助实验。（a）超声波换能器驱动电路波形;（b）-（h）玻璃管中的气蚀过程。

图4.超声波辅助熔融液滴滴过程。（a）超声波作用的熔融金属滴落过程;（b）无超声波作用下的熔融金属的滴落过程;（c）没有超声波辅助的五次实验的总阻塞;（d）超声波辅助下五次实验的总阻塞。

图 5.（a）有和没有超声波作用的熔融金属液滴的滴落周期和（b）液滴质量。

图 6.带或不带超声波辅助的单程书写金属线。

图 7.不同写入速度下单程书写的实验结果.（a）单程书写金属线的宏观形貌;（b）截面图不同的位置;（c）-（d）从截面视图测量的宽度和高度;（e）写入质量和进料质量的比较。图中所示的偏差为根据在三个位置测量的值计算。

图 8.使用和不使用超声波的不同形状的 3D 金属零件。（a） 3D金属零件的书写速度慢;（b） 3D金属零件的书写速度快;（c）方形的3D零件。

图 9.具有不同层间粘接强度的均匀3D金属零件。（a）弹簧形均匀三维金属零件;（b）弹簧形状的剖视图均匀的3D金属零件;（c）环形均匀的3D金属零件;（d）环形均匀的3D金属零件的剖视图。

图 10.不同形状的3D金属零件，具有良好的成型质量。（a） 100-分层 3D 零件;（b）具有倾斜角度的 3D 零件;（c）大尺寸倾斜三维零件;（d）具有不同倾斜度的3D零件。

图 11.成型件相同位置的显微组织（a）具有和（d）无超声波辅助，写入速度为10 mm/s。（b）显微硬度成型件。成型件相同位置的显微组织（c）具有和（e）无超声波辅助，写入速度为16.67 mm / s。张力的骨折形态（F）有和（H）没有超声辅助。（g）三维成型零件的应力-应变曲线。

综上所述，超声波辅助直写金属增材可以制造一种在挤出机孔口处增强熔融流速稳定性的技术。低成本和简单基于桌面金属增材制造原型设备的提出了以下原则。

基于超声波辅助热挤出机构建仿真结果。超声波辅助装置得到优化通过模拟，使其能够实现共振。金属液与单程书写实验进行。经验证，超声波辅助可有效避免炉渣堵塞的发生，使孔口处的熔融金属更稳定。得益于熔融金属流出的稳定性及其长期性写入能力，UADWMAM技术能够使得3D金属零件具有光滑的表面和出色的成型精度。虽然使用低熔点金属进行演示，但UADWMAM的原理与高熔点金属兼容，只要热挤出机具有熔化它们的能力。是的预计UADWMAM技术可用于开发台式金属打印机，进一步降低制造业中金属添加剂的成本。