研究人员开发节能金属3D打印新方法，采用共振辅助沉积技术

2025年9月1日，南极熊获悉，总部位于加州的先进制造技术开发商Reverb Industrial与亚利桑那州立大学合作，展示了一种新的金属 3D 打印方法，可避免熔化并大幅降低功耗。

这项发表以题为“The Production of Three-DimensionalMetal Objects Using Oscillatory-Strain-Assisted Fine Wire Shaping and Joining”的论文在MDPI上发表。

论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/17/10/2188

研究表明，共振辅助沉积(RAD) 技术仅需 100 至 300瓦的机器功率即可制造致密的铝合金部件。相比之下，激光粉末床熔融系统的运行功率通常为 10 至 20 千瓦，加工每公斤铝合金消耗 300 至 500 兆焦耳，相当于每立方厘米约 1 兆焦耳。

RAD 技术基于高频振荡应变降低金属表观屈服应力并增强界面扩散的现象。在实践中，打印系统在沉积过程中施加频率为40千赫兹、振幅低于几十微米的振动。每个循环将一段线材原料塑造成扁平体素，同时促进原子与邻近材料的扩散。这些综合效应使得成型和连接无需加热即可进行，从而使团队能够打印净成形的6061铝结构。组件包括具有高长宽比的薄壁样品，这对于基于熔合的技术通常具有挑战性。早期研究表明，振荡应变在降低屈服应力方面的效率大约是加热的30倍，并且在实际系统中，传热损失会进一步降低效率，这种效果会被放大。

△采用RAD 技术连接纯铝和纯镍界面的明场 TEM 图像。图片来自MDPI。

研究人员构建了一个三轴运动平台，其中构建板在 XY 平面内移动，打印头在 Z 方向移动。由加州细线公司提供的直径为 0.35 毫米的铝 6061-O 线材原料穿过连接到压电换能器的空心剪切应变传递工具。原料的抗拉强度为140MPa，伸长率为 17.1%。在每个压缩循环中，线材在沉积位置被塑造成体素，振荡应变降低屈服应力并促进结合。工具抬起，横向移动 1 毫米的步长，然后重复这一过程。在 0.6 和 0.7 毫米处测试轨道重叠，以比较完全填充和不完全重叠。刀具路径使用两个具有 ±45°填充模式的外壁，重叠条件决定是否存在空隙或空间填充是否完成。

显微镜揭示了连接机制的工作原理。当纯铝体素沉积在镍上时，明场图像显示界面附近区域的缺陷密度很高，包括堆垛层错。这些缺陷增强了扩散，产生了 80 至 140 纳米宽的界面区。计算表明，如果仅通过加热引起这种规模的扩散，则需要 320 至 420°C 的温度。沉积期间的热测量显示温度仅升高了 5 至 10°C，表明增强的扩散来自振荡应变而不是熔化。跨 Al-Ni 界面的能量色散谱 (EDS) 线扫描证实了这种缺陷驱动机制产生的浓度梯度。测试装置采用了 200 千伏的加速电压和 5 纳米的步长，可以定量测量元素扩散。初始接触期间破裂的原生氧化层有时会被困在边界处，从而影响后期的断裂行为。

△用于打印组件的刀具路径策略。图片来自 MDPI。

机械性能反映了这些界面特性。对打印部件进行的微型计算机断层扫描显示，在重叠足够的情况下，密度可达到原料的 99.95%。轨道间距为 0.7 毫米的样品出现空隙，而轨道间距为 0.6 毫米的样品则接近完全固结。以每分钟 150 毫米的速度对水平和垂直打印的试样进行拉伸试验，结果显示极限强度约为退火原料线的 75%。研究发现强度的各向异性较低，但伸长率的各向异性较高。垂直试样沿氧化物被捕获的界面表现出脆性断裂，而水平试样表现出更具延展性的行为。断裂表面图像显示层间区域出现广泛的塑性变形，但富含氧化物的区域出现脆性分离。表面粗糙度测试表明顶层的 Ra 值为 10-20 微米，而侧壁的Ra 值为 15-25 微米。沿垂直表面的扇形轮廓类似于聚合物挤压印刷中常见的图案。

能耗数据凸显了与传统方法的对比。在体素级别，RAD 需要每立方毫米 3.79 × 10⁻⁴ 焦耳进行成型和连接。激光粉末床熔合通常消耗每立方毫米约 100 焦耳，相差 5 个数量级。在机器规模上，即使使用构建板加热进行过程中退火，RAD 平台也会根据操作条件消耗 100 至 300 瓦的功率。相比之下，激光和电子束系统消耗数十千瓦。传统的基于熔合的工艺在几个阶段效率降低，包括电光转换、激光能量的吸收以及向周围材料的热传递。寄生加热进一步增加了功耗，因为必须耗散额外的功率才能维持激光性能。在 RAD 中，机械应变能直接耦合到晶格中，避免了这些低效率并将系统级需求降低了十到百分之一。

△水平和垂直试件的极限抗拉强度 (UTS) 和伸长率值。图片来自 MDPI。

Reverb Industrial 和亚利桑那州立大学联合推出 RAD 技术，将其视为一种独特的增材制造方法。该方法通过非熔化方式对金属线材进行成型和连接，避免了诸如吸收率变化、熔池不稳定和高热梯度等常见问题。虽然由于层间边界处氧化物的夹杂，沿构建方向的延伸率仍然有限，但RAD工艺仍展现出高密度、高强度和卓越的能源效率。