日本東北大學(xué)在多材料3D打印汽車部件領(lǐng)域取得重大突破

2024年12月，南極熊獲悉，日本東北大學(xué)（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(jìn)展。他們開(kāi)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(guò)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(guò)控制激光束粉末床熔合中的液/固界面進(jìn)行鋼/鋁合金多材料增材制造）



金屬3D打印是一種通過(guò)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(shí)現(xiàn)了驚人的精度，還使得制造高度定制化、復(fù)雜形狀的物體成為可能，同時(shí)相比傳統(tǒng)制造方法減少了材料浪費(fèi)。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(qiáng)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(qiáng)度。這些優(yōu)勢(shì)使得多材料制造技術(shù)成為全球研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。



技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
盡管存在諸多優(yōu)點(diǎn)，但多材料結(jié)合仍面臨一些挑戰(zhàn)。特別是當(dāng)不同性質(zhì)的材料如鋼和鋁結(jié)合時(shí)，它們之間的界面處往往會(huì)形成脆性的金屬間化合物，這會(huì)削弱最終產(chǎn)品的強(qiáng)度。對(duì)此，日本東北大學(xué)副教授Kenta Yamanaka解釋說(shuō)：“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(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于某些金屬組合，如鋼和鋁，界面處可能會(huì)形成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致材料變輕卻更脆弱?！?br />

△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(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)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(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)。最終得到的鋼-鋁合金展現(xiàn)出強(qiáng)大的界面結(jié)合力，兼具輕量化和高耐久性的特點(diǎn)。


△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(qiáng)度

成果展示與未來(lái)展望
特任助理教授 Seungkyun Yim，作為研究團(tuán)隊(duì)的一員，強(qiáng)調(diào)了深入理解基礎(chǔ)機(jī)制的重要性。他指出：“簡(jiǎn)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(jī)理?！被诖?，研究團(tuán)隊(duì)成功制作出了世界上首個(gè)全尺寸的多材料3D打印汽車懸掛塔。這個(gè)部件設(shè)計(jì)獨(dú)特，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)研究成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，標(biāo)志著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

展望未來(lái)，研究人員計(jì)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(xiàng)研究不僅推動(dòng)了汽車制造業(yè)的進(jìn)步，也為航空航天、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性，預(yù)示著多材料3D打印將在未來(lái)的工業(yè)制造中扮演越來(lái)越重要的角色。

通過(guò)這次突破，東京東北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)不僅解決了多材料3D打印的關(guān)鍵技術(shù)難題，還為實(shí)現(xiàn)更輕量化、更高效的交通工具鋪平了道路。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟和完善，南極熊有理由相信，它將開(kāi)啟一個(gè)全新的制造時(shí)代，帶來(lái)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