熔融金屬沉積：被低估的鋁合金3D打印路線

約翰霍普金斯大學(xué)部署了一臺(tái)ValCUN Minerva，這是該機(jī)器在美國(guó)高校的首次落地。

機(jī)器本身75×150cm的占地面積，230cm高，額定功耗2.5kW。

這臺(tái)機(jī)器用的技術(shù)叫熔融金屬沉積（MMD），原理和FDM打印一脈相承，只是把塑料絲換成了鋁焊絲。

鋁絲送入加熱腔，腔溫700-900°C，鋁熔化后從陶瓷噴嘴擠出，打印床溫度維持在400-600°C，液態(tài)鋁沿預(yù)設(shè)路徑落在已固化層上，迅速凝固，層層堆積成型。

難點(diǎn)在于鋁的表面張力低，熔融態(tài)流動(dòng)性極強(qiáng)，要讓它沉積在對(duì)的地方而不是到處鋪開(kāi)，需要精密的溫度場(chǎng)控制。

設(shè)備的做法是在噴嘴區(qū)域引入氬氣保護(hù)氣幕，同時(shí)承擔(dān)兩個(gè)功能：

隔絕氧化，以及輔助約束熔池?zé)釄?chǎng)。

配合精確的床溫管理，鋁液在離開(kāi)噴嘴后以可預(yù)測(cè)的方式凝固。

這套熱控方案實(shí)現(xiàn)了最高70°的懸臂無(wú)支撐打印，打出的斯坦福兔子有約5mm懸挑跨距，靠自身結(jié)構(gòu)撐住，無(wú)需任何支撐。

打印完成后，零件附著在鋁制平臺(tái)上，手推即可剝離。

整個(gè)工藝是單步流程，不需要脫粉、燒結(jié)、熱等靜壓，也不需要機(jī)加分離。

打印腔體為直徑125mm、高200mm的圓柱空間，目前支持AA4008、AA4043、6061、6082四種鋁合金牌號(hào)，原材料直接用市售鋁焊絲。

目前三塊研究

第一塊是微觀結(jié)構(gòu)表征。

MMD的熱歷史不同于LPBF的快速激冷，也不同于電弧增材的大熱輸入，具體產(chǎn)生怎樣的晶粒形態(tài)、相分布和殘余應(yīng)力，需要系統(tǒng)測(cè)定。

第二塊是可控破壞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)在特定位置引入應(yīng)力集中，目的是控制裂紋萌生點(diǎn)和擴(kuò)展路徑，研究者通過(guò)幾何設(shè)計(jì)讓零件按預(yù)定方式破壞。

第三塊是向含鎂合金的工藝擴(kuò)展。

現(xiàn)階段的工藝窗口還局限在鋁合金，鎂合金打印參數(shù)開(kāi)發(fā)是后續(xù)工作。

MMD在精度上不及LPBF，在尺寸上不及WAAM，打印腔體125mm的限制把大多數(shù)工業(yè)尺寸零件直接排除在外。

但鋁合金的激光工藝有固有難題，鋁對(duì)激光的反射率高，能量吸收效率低，高溫梯度下開(kāi)裂傾向明顯，激光工藝能穩(wěn)定打的鋁合金基本集中在Al-Si體系，6系鋁很難直接打。

MMD的熔融擠出方式繞開(kāi)了這個(gè)問(wèn)題，對(duì)Al-Si系合金天然友好，原材料用焊絲而非金屬粉末，成本和安全門(mén)檻都低得多。

AM易道認(rèn)為，這條技術(shù)路線現(xiàn)階段的核心價(jià)值在研究端。

125mm的腔體、較少的工藝參數(shù)庫(kù)、尚未找到規(guī)模驗(yàn)證的核心應(yīng)用場(chǎng)景，這三件事決定了它目前不是生產(chǎn)工具，而是一個(gè)適合用來(lái)摸清鋁合金增材工藝基本規(guī)律的研究平臺(tái)。

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