鎂合金絲材DED激光金屬3D打印技術(shù)，更輕更堅(jiān)硬

南極熊導(dǎo)讀：下面要介紹的鎂合金絲材DED激光金屬3D打印技術(shù)，非常具有產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，值得中國(guó)工業(yè)界關(guān)注。

2024 年 6 月 13 日，南極熊獲悉，三菱電機(jī)公司、熊本大學(xué)鎂研究中心 (MRC)、東邦金屬株式會(huì)社和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 開(kāi)發(fā)了首個(gè)采用定向能量沉積 (DED) 方法使用鎂合金進(jìn)行高精度增材制造的激光絲材金屬 3D 打印機(jī)。釋放以無(wú)與倫比的精度和復(fù)雜性加工鎂合金的潛力，將為制造比鐵或鋁制成的部件更輕、更堅(jiān)固的火箭、汽車(chē)和飛機(jī)部件鋪平道路，從而提高燃油效率，降低生產(chǎn)成本。此外，基于絲材激光金屬 3D 打印機(jī)的生產(chǎn)工藝將比傳統(tǒng)工藝更加節(jié)能，產(chǎn)生的溫室氣體排放更少，提高可持續(xù)發(fā)展能力。



自 2022 年 9 月以來(lái)，聯(lián)盟成員一直在 JAXA 創(chuàng)新未來(lái)太空運(yùn)輸系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃的框架下進(jìn)行聯(lián)合研究（使用鎂合金線(xiàn)進(jìn)行激光線(xiàn) DED 方法增材制造加工技術(shù)的研究），致力于減輕火箭重量，從而大幅削減成本。近年來(lái)，由于電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向以及商用飛機(jī)的需求不斷增長(zhǎng)等因素，減重的需求也隨之增加，因此鎂合金在這些領(lǐng)域受到關(guān)注。然而，鎂合金通常通過(guò)壓鑄加工，因此很難制造具有中空內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。此外，增材制造的主流粉末床熔融（PBF）方法，利用熱量選擇性地熔化金屬粉末，可能會(huì)因氧化或粉塵爆炸而導(dǎo)致降解，給安全生產(chǎn)帶來(lái)問(wèn)題。

對(duì)此，該聯(lián)盟將三菱電機(jī)的金屬 3D 打印機(jī)與 MRC 開(kāi)發(fā)的高度不易燃的 KUMADAI 耐熱鎂合金結(jié)合起來(lái)，采用絲材激光DED方法，用金屬線(xiàn)代替金屬粉末作為材料。在測(cè)試中，三菱電機(jī)采用先進(jìn)的拉絲技術(shù)，使用東邦金屬生產(chǎn)的 KUMADAI 耐熱鎂合金重復(fù)了成型工藝，采用鎂合金絲作為增材制造材料并通過(guò)精確的溫度控制來(lái)防止燃燒的新技術(shù)。根據(jù)日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）對(duì)采用這項(xiàng)新技術(shù)生產(chǎn)的增材制造生產(chǎn)樣品的評(píng)估，估計(jì)某些火箭部件比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)的部件輕約20%。


△ 3D 打印鎂合金樣品

相同的工藝可以廣泛應(yīng)用于其他也需要減輕重量的領(lǐng)域，包括各種運(yùn)輸設(shè)備和機(jī)器人部件。因此，針對(duì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)將與三菱電機(jī)的工作同時(shí)進(jìn)行，以期在 2029 年左右將絲材激光 DED 金屬 3D 打印機(jī)技術(shù)商業(yè)化。

鎂合金絲的增材制造結(jié)合了高加工性和高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。MRC 研究了許多 KUMADAI 耐熱鎂合金，以找到一種即使是線(xiàn)材形式也具有阻燃性的增材制造材料。TOHO KINZOKU 開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)任何直徑和長(zhǎng)度的增材制造線(xiàn)材的技術(shù)，并制造了原型線(xiàn)材，經(jīng)過(guò)三菱電機(jī)的廣泛測(cè)試，獲得了最佳的線(xiàn)材厚度和拉絲工藝。

高精度增材制造技術(shù)采用不易燃的鎂合金絲。三菱電機(jī)為線(xiàn)激光 DED 金屬 3D 打印機(jī)開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，使用計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 精確控制激光功率和線(xiàn)速度，以保持加工區(qū)域恒定溫度。這使得寬度為3mm的鎂合金能夠高精度且不燒焦地加工成任何形狀。與壓鑄不同，不需要模具——消除了更換模具的成本。

鎂合金增材制造結(jié)構(gòu)將使得火箭部件更輕。增材制造生產(chǎn)的樣品在室溫下達(dá)到了約 250 兆帕（MPa）的高拉伸強(qiáng)度，在 200 度左右的高溫下達(dá)到了約 220MPa 的高拉伸強(qiáng)度，優(yōu)于傳統(tǒng)方法。此外，樣品耐熱且不易燃。鎂合金比鋁和鐵更輕、更堅(jiān)固，因此在汽車(chē)和飛機(jī)部件中的使用將有助于提高燃油效率和整體可持續(xù)性。與錠加工相比，最大限度地減少材料浪費(fèi)將有助于提高加工能源效率并節(jié)省材料。

合作各方的分工：三菱電機(jī)負(fù)責(zé)使用鎂合金的增材制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)以及增材制造生產(chǎn)樣品的材料性能驗(yàn)證；MRC負(fù)責(zé)增材制造鎂合金成分的選擇；東邦金屬負(fù)責(zé)鎂合金絲制造方法的開(kāi)發(fā)；JAXA負(fù)責(zé)評(píng)估鎂合金增材制造生產(chǎn)樣品，評(píng)估對(duì)火箭減重的潛在影響。