視頻 l 美國LLNL實驗室「金屬直寫」技術，或克服目前金屬3D列印的不足？

作為全球領先的3D列印研究中心之一，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在金屬3D列印領域碩果累累，LLNL不僅致力於複雜金屬3D列印零部件的開發，通過他們的建模能力、數據挖掘技術和不確定性分析來優化3D列印金屬零件，還致力於研發金屬3D列印的新材料和新工藝。

最近三年以來，LLNL 開展了一個新的金屬3D列印技術研究項目--金屬直寫技術（Direct Metal Writing），並希望通過該技術克服目前粉末床3D列印技術所存在的不足。

擠出

半固體的金屬材料

金屬直寫技術（Direct Metal Writing）是由LLNL與伍斯特理工學院合作進行研發的。與粉末床3D列印技術不同的是，金屬直寫技術所使用的列印材料不是金屬粉末，而是由金屬鑄塊加熱而成的半固體狀材料，材料中的固體金屬顆粒被液體金屬所包圍，呈現出膏體一樣的狀態。像膏體一樣的金屬材料在壓力的作用下，通過列印噴嘴擠出。

圖片來源：LLNL

LLNL實驗室的材料科學家指出，這是一種剪切稀化材料，當材料靜止時，固體金屬顆粒聚集從而使得結構變為固態。當材料流動時，固體顆粒就會斷裂，從而使材料變得像液體基質一樣。這種材料在冷卻時變得堅硬，因而在金屬直寫技術3D列印的零件中氧化物和殘餘應力更少。

以往在進行金屬零部件的3D列印時，分析和驗證零部件的缺陷是一個很大的工作量，而金屬直寫3D列印技術的成熟將有可能減少這些工作。

前期進行的列印零件測試取得了成功，但LLNL表示該技術目前尚未成熟，接下來還需要探索列印精度更高的工業級材料，如鋁和鈦。

LLNL 通過金屬直寫設備3D列印鉍錫混合物材料

圖片來源：LLNL

在項目小組2017年2月發表於Applied Physics Letters期刊的論文中，可以看到研究小組已使用熔點低於300攝氏度的鉍錫混合物材料來列印零件，由於在列印中遇到了固體金屬堵塞噴頭的問題，該試驗經過多次迭代才取得成功。

LLNL的工程師Andy Pascall表示，金屬直寫3D列印技術研發的一個關鍵點是，如何精確控制溫度和材料的流動，掌握材料的流動屬性。目前，研究小組已經可以對流動進行良好的控制，列印出自支撐結構。據3D科學谷的市場研究，LLNL實驗的高性能計算能力可以準確模擬材料的流動，該技術在開發碳纖維複合材料的「直接墨水書寫」3D列印工藝時已經應用過。當時，LLNL模擬了碳纖維複合材料流經3D印表機噴頭，以數以千計的液滴形成固體的過程。

在列印材料方面，研究小組正在研究可應用於金屬直寫3D列印技術的鋁合金材料，但由於鋁合金材料熔點較高，這項研究中尚存在一些需要攻克的問題。如果能夠成功開發出鋁合金材料，那麼該技術將引起航空航天、交通等行業用戶的興趣。

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