麻省理工学院的研究人员开发了一种增材制造技术，可以用液态金属快速打印，在几分钟内生产出桌腿和椅子框架等大型部件。

　　他们的技术被称为液态金属打印(LMP)，包括将熔融铝沿着预定的路径沉积到微小的玻璃珠床上。铝迅速硬化成三维结构。

　　研究人员表示，LMP比类似的金属增材制造工艺至少快10倍，加热和熔化金属的过程比其他一些方法更有效。

　　该技术确实牺牲了分辨率来换取速度和规模。虽然它可以打印比通常用较慢的加法技术制造的更大的组件，并且成本更低，但它无法实现高分辨率。

　　例如，用LMP生产的零件将适用于建筑、建筑和工业设计中的一些应用，在这些应用中，大型结构的组件通常不需要非常精细的细节。它还可以有效地用于回收或废金属的快速原型制作。

　　在最近的一项研究中，研究人员通过打印桌子和椅子的铝制框架和零件来演示这一过程，这些框架和零件足够坚固，可以承受印后加工。他们展示了用LMP制造的组件如何与高分辨率工艺和其他材料相结合，以创造功能性家具。

　　“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。但是我们建造的大多数世界——我们周围的东西，比如桌子、椅子和建筑物——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，”建筑系副教授、自组装实验室联合主任斯凯拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)说，他是一篇介绍LMP的论文的资深作者。

　　和Tibbits一起撰写论文的还有主要作者Zain Karsan，现年23岁，现在是苏黎世联邦理工学院的博士生;以及22岁的金博尔·凯泽和研究科学家兼实验室联合主任贾里德·劳克斯。这项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刊上。

　　一种在建筑和建筑中常见的金属打印方法，称为线弧增材制造(WAAM)，能够生产大型，低分辨率的结构，但这些结构容易开裂和翘曲，因为在打印过程中某些部分必须重新熔化。

　　另一方面，LMP在整个过程中保持材料熔融，避免了重熔引起的一些结构问题。

　　根据该小组之前在橡胶快速液体打印方面的工作，研究人员制造了一台机器，可以熔化铝，保持熔融金属，并通过喷嘴高速沉积。大型零件可以在几秒钟内打印出来，然后熔化的铝在几分钟内冷却下来。

　　“我们的加工速度真的很高，但也很难控制。这或多或少有点像打开水龙头。你有大量的材料需要融化，这需要一些时间，但一旦你把它融化了，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，”Karsan解释说。

　　该团队选择铝，因为它通常用于建筑，可以廉价有效地回收。

　　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，”卡桑补充道。炉内的金属线圈将金属加热到700°C，略高于铝的660°熔点。

　　铝在石墨坩埚中保持在高温下，然后熔融的材料通过陶瓷喷嘴沿着预设的路径被重力送入打印床。他们发现，熔化的铝越多，打印机的速度就越快。

　　“熔化的铝会摧毁所到之处的一切。我们开始用不锈钢喷嘴，然后用钛，最后用陶瓷。但即使是陶瓷喷嘴也会堵塞，因为喷嘴尖端的加热并不总是完全均匀的，”Karsan说。

　　通过将熔融材料直接注入颗粒状物质，研究人员不需要打印支撑来支撑铝结构。

　　在选择100微米的玻璃珠之前，他们试验了许多材料来填充打印床，包括石墨粉和盐。这些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，因此金属可以迅速冷却。

　　“玻璃珠非常精细，拿在手里感觉就像丝绸一样。这种粉末非常小，它不会真正改变打印物体的表面特性，”蒂比茨说。

　　坩埚中保持的熔融材料的量、打印床的深度以及喷嘴的大小和形状对最终物体的几何形状影响最大。

　　例如，物体直径较大的部分首先打印，因为随着坩埚的空化，喷嘴喷射的铝量逐渐减少。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内将沉积到打印床中的材料量。

　　蒂比茨解释说，由于喷嘴压入玻璃珠粉末中，研究人员无法观察熔融铝沉积的过程，因此他们需要一种方法来模拟打印过程中某些点的情况。

　　他们使用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过程。他们展示了LMP和这些后处理技术的结合，用低分辨率、快速打印的铝零件和其他部件(如木片)制作椅子和桌子。

　　展望未来，研究人员希望继续对机器进行迭代，这样他们就可以在喷嘴中保持一致的加热，以防止材料粘附，并更好地控制熔融材料的流动。但更大的喷嘴直径可能导致不规则的打印，因此仍有技术挑战需要克服。

　　“如果我们能让这台机器成为人们真正能用来熔化回收铝和打印零件的东西，那将改变金属制造业的游戏规则。目前，它还不够可靠，但这是我们的目标，”蒂比茨说。

　　“在Emeco，我们来自非常模拟制造的世界，所以看到液态金属打印创造出细微的几何形状，并有可能制造出完全结构的零件，这真的很吸引人，”领导Emeco家具公司业务开发的杰伊·布赫宾德(Jaye Buchbinder)说，他没有参与这项工作。

　　“液态金属打印确实能够按照定制的几何形状生产金属零件，同时保持快速周转，这是其他打印或成型技术通常无法实现的。这项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。”

　　更多信息:纸张:液态金属印刷由麻省理工学院提供

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　　引用:研究人员演示

　　实现液体快速3D打印

　　tal (2024, January 25)检索自https://techxplore.com/news/2024-01-rapid-3d-liquid-me，检索自2024年1月25日

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