麻省理工学院研究人员开发高速液态金属3D打印技术，比同类金属增材工艺快10倍

2024年1月25日，南极熊获悉，来自麻省理工学院的研究人员开发了一种新型液态金属快速打印技术，能够在几分钟内生产出桌腿和椅子框架等大型零件。液态金属打印 (LMP) 技术涉及将熔融铝沿着预定路径沉积到微小玻璃珠床上，然后铝快速硬化成 3D 结构。研究人员表示，LMP比同类金属增材制造工艺至少快10倍，而且加热和熔化金属的过程比其他一些方法更有效。

LMP技术确实为了速度和规模而牺牲了分辨率。虽然它可以打印比通常使用较慢的增材技术制造的部件更大的部件，并且成本较低，但它无法实现高分辨率。例如，用 LMP 生产的零件适用于建筑、施工和工业设计中的某些应用，其中较大结构的组件通常不需要极其精细的细节。它还可以有效地利用回收金属或废金属进行快速原型制作。

在最近的一项研究中，麻省理工学院的研究人员通过打印桌椅的铝制框架和零件来演示这一过程，这些框架和零件的强度足以承受后处理加工。他们展示了如何将 LMP 制造的组件与高分辨率工艺和附加材料相结合来制造功能性家具。

麻省理工学院建筑系副教授、自组装实验室联合主任 Skylar Tibbits 说道：“这是我们思考金属制造的一个完全不同的方向，它具有一些巨大的优势。它也有缺点。但我们的大多数建筑世界（我们周围的东西，比如桌子、椅子和建筑物）并不需要极高的分辨率。速度和规模，以及可重复性和能耗，都是重要的指标。”

△液态金属打印工艺涉及将熔融铝沿着预定路径沉积到微小玻璃珠床上。来源：麻省理工学院自组装实验室。

Tibbits 与主要作者 ZainKarsan SM '23 一起参与了这篇论文，他现在是苏黎世联邦理工学院的博士生；以及 Kimball KaiserSM '22 和研究科学家兼实验室联合主任 Jared Laucks。该研究在建筑计算机辅助设计协会会议上发表，并于最近发表在该协会的会议记录中。

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高速制造优势

电弧增材制造 (WAAM) 是构建零部件中常见的一种金属打印方法，也能够生产大型、低分辨率的结构。然而，这些材料可能容易破裂和变形，因为某些部分必须在打印过程中重新熔化。

另一方面，LMP 在整个过程中保持材料处于熔融状态，避免了重熔引起的一些结构问题。借鉴该小组之前关于橡胶快速液体打印的研究成果，研究人员建造了一台机器，可以熔化铝，容纳熔融金属，并通过喷嘴高速沉积。只需几秒钟即可打印大型零件，然后熔融铝在几分钟内冷却。

Karsan 说道：“我们的制造速度确实很高，但也很难控制。这或多或少就像打开水龙头。你有大量的材料需要熔化，这需要一些时间，但一旦熔化，就像打开水龙头一样。这使我们能够非常快速地打印这些几何形状。”

△LMP 工艺可以打印复杂的几何形状。来源：麻省理工学院自组装实验室

研究团队选择铝是因为它常用于制造业，并且可以廉价且高效地回收利用。Karsan说：“面包大小的铝片被放入电炉中，这基本上就像一个放大的烤面包机。炉内的金属线圈将金属加热至 700°C，略高于铝的 660° 熔点。”

铝在石墨坩埚中保持高温，然后熔融材料通过陶瓷喷嘴沿预设路径通过重力送入打印床。他们发现，可以熔化的铝量越大，打印机的速度就越快。

Karsan 说：“熔化的铝会摧毁其路径上的几乎所有东西。我们从不锈钢喷嘴开始，然后转向钛喷嘴，最后才使用陶瓷喷嘴。但即使是陶瓷喷嘴也可能堵塞，因为喷嘴尖端的加热并不总是完全均匀。”

研究人员通过将熔融材料直接注入颗粒状物质中，无需打印支撑物来支撑铝结构成型。

△研究人员可以调整液态金属打印过程的进给速率，以便随着喷嘴的移动沉积更多或更少的材料，从而改变打印物体的形状。来源：麻省理工学院自组装实验室

试验过程

研究人员试验了几种填充打印床的材料，包括石墨粉和盐，然后选择了100微米的玻璃珠。微小的玻璃珠可以承受熔融铝的极高温度，充当中性悬浮液，因此金属可以快速冷却。Tibbits 说道：“玻璃珠非常细腻，拿在手上感觉就像丝绸一样。这种粉末非常小，不会真正改变打印物体的表面特性。”

坩埚中熔融材料的量、打印床的深度以及喷嘴的尺寸和形状对最终物体的几何形状影响最大。例如，首先打印物体直径较大的部分，因为随着坩埚变空，喷嘴分配的铝量逐渐减少。改变喷嘴的深度会改变金属结构的厚度。

为了帮助 LMP 过程，研究人员开发了一个数值模型来估计在给定时间将沉积到打印床上的材料量。Tibbtes 表示，由于喷嘴会推入玻璃珠粉末，研究人员无法观察熔融铝的沉积情况，因此他们需要一种方法来模拟打印过程中某些点发生的情况。

研究人员使用 LMP 快速生产不同厚度的铝框架，这些框架足够耐用，可以承受铣削和镗孔等加工工艺。他们展示了 LMP 和这些后处理技术的结合，以制造由低分辨率、快速打印的铝制零件和其他组件（如木件）组成的椅子和桌子。

展望未来，麻省理工学院的团队希望继续迭代机器，以便能够在喷嘴中实现一致的加热，以防止材料粘附，并更好地控制熔融材料的流动。较大的喷嘴直径可能会导致打印不规则，因此仍然存在需要克服的技术挑战。

Tibbits说：“如果我们能让这台机器成为人们真正可以用来熔化回收铝和打印零件的机器，那将改变金属制造业的游戏规则。目前，它还不够可靠，无法做到这一点，但这就是目标。”

负责家具公司 Emeco 业务开发的JayeBuchbinder说道：“在Emeco，我们看到液态金属打印创造出细致入微的几何形状，并具有完全结构部件的潜力，这真的很引人注目。液态金属打印确实能够生产定制几何形状的金属零件，同时保持其他打印或成型技术通常无法实现的快速周转。该技术绝对有可能彻底改变目前金属打印和金属成型的处理方式。”