日本東北大學在多材料3D打印汽車部件領域取得重大突破

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�。�將不同材料如鋁和鋼結合在一起以優(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，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打印技術的應用之一是“多材料結構”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，在汽車零件中結合鋁和鋼可以顯著減輕重量而不犧牲必要的結構強度。這些優(yōu)勢使得多材料制造技術成為全球研究人員關注的焦點。



技術挑戰(zhàn)與解決方案
盡管存在諸多優(yōu)點，但多材料結合仍面臨一些挑戰(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域的熱門話題，因其工藝靈活性而備受關注。然而，在實際應用中，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，這是金屬3D打印中的關鍵技術之一。該方法利用激光選擇性地熔化金屬粉末，逐層構建物體。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合，必須首先徹底了解原位合金化的機理�！被�于此，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。這個部件設計獨特，體現(xiàn)了團隊研究成果的實際應用價值，標志著先進制造技術發(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用于其他具有類似結合難題的金屬組合，旨在拓展該技術在更多行業(yè)的應用范圍。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打印的關鍵技術難題，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