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日本東北大學在多材料3D打印汽車部件領(lǐng)域取得重大突破

科研前沿
2024
12/28
13:58
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2024年12月,南極熊獲悉,日本東北大學(Tohoku University)材料研究所和新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造孵化中心的研究人員在多材料3D打印技術(shù)上取得了重要進展。他們開發(fā)了一種制造工藝,能夠創(chuàng)建既輕便又耐用的汽車零部件,展示了通過增材制造(即3D打。⿲⒉煌牧先玟X和鋼結(jié)合在一起以優(yōu)化汽車零件性能和效率的巨大潛力他們的研究已經(jīng)發(fā)表在“Additive Manufacturing”上,題目為《Multi-material additive manufacturing of steel/Al alloy by controlling the liquid/solid interface in laser beam powder bed fusion》(通過控制激光束粉末床熔合中的液/固界面進行鋼/鋁合金多材料增材制造)



金屬3D打印是一種通過逐層沉積金屬并使用熱能將其粘合的技術(shù),這種方法不僅實現(xiàn)了驚人的精度,還使得制造高度定制化、復雜形狀的物體成為可能,同時相比傳統(tǒng)制造方法減少了材料浪費。3D打印技術(shù)的應(yīng)用之一是“多材料結(jié)構(gòu)”的生產(chǎn),即將不同的材料巧妙地整合到單一組件中,以增強其功能。例如,在汽車零件中結(jié)合鋁和鋼可以顯著減輕重量而不犧牲必要的結(jié)構(gòu)強度。這些優(yōu)勢使得多材料制造技術(shù)成為全球研究人員關(guān)注的焦點。



技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
盡管存在諸多優(yōu)點,但多材料結(jié)合仍面臨一些挑戰(zhàn)。特別是當不同性質(zhì)的材料如鋼和鋁結(jié)合時,它們之間的界面處往往會形成脆性的金屬間化合物,這會削弱最終產(chǎn)品的強度。對此,日本東北大學副教授Kenta Yamanaka解釋說:“多材料是增材制造領(lǐng)域的熱門話題,因其工藝靈活性而備受關(guān)注。然而,在實際應(yīng)用中,對于某些金屬組合,如鋼和鋁,界面處可能會形成脆性金屬間化合物,導致材料變輕卻更脆弱。”


△使用 L-PBF 在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金界面

為了解決這一問題,研究團隊采用了激光粉末床熔融(L-PBF)技術(shù),這是金屬3D打印中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該方法利用激光選擇性地熔化金屬粉末,逐層構(gòu)建物體。經(jīng)過一系列實驗,團隊發(fā)現(xiàn)提高激光掃描速度可以顯著抑制脆性化合物如Al5Fe2和Al13Fe4的形成。研究表明,較高的掃描速度觸發(fā)了非平衡凝固現(xiàn)象,減少了溶質(zhì)分離,從而避免了材料內(nèi)部出現(xiàn)弱點。最終得到的鋼-鋁合金展現(xiàn)出強大的界面結(jié)合力,兼具輕量化和高耐久性的特點。


△使用 L-PBF 在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金多材料界面強度

成果展示與未來展望
特任助理教授 Seungkyun Yim,作為研究團隊的一員,強調(diào)了深入理解基礎(chǔ)機制的重要性。他指出:“簡單地把兩種金屬放在一起并不意味著它們就能完美結(jié)合,必須首先徹底了解原位合金化的機理!被诖,研究團隊成功制作出了世界上首個全尺寸的多材料3D打印汽車懸掛塔。這個部件設(shè)計獨特,體現(xiàn)了團隊研究成果的實際應(yīng)用價值,標志著先進制造技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。

展望未來,研究人員計劃將其方法應(yīng)用于其他具有類似結(jié)合難題的金屬組合,旨在拓展該技術(shù)在更多行業(yè)的應(yīng)用范圍。這項研究不僅推動了汽車制造業(yè)的進步,也為航空航天、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域帶來了新的可能性,預示著多材料3D打印將在未來的工業(yè)制造中扮演越來越重要的角色。

通過這次突破,東京東北大學的研究團隊不僅解決了多材料3D打印的關(guān)鍵技術(shù)難題,還為實現(xiàn)更輕量化、更高效的交通工具鋪平了道路。隨著這項技術(shù)的不斷成熟和完善,南極熊有理由相信,它將開啟一個全新的制造時代,帶來更加綠色、智能的工業(yè)革命。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104529


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