熱熔擠出金屬3D打印最新科研成果仍難商業化？

AM易道分享

讓金屬也能像塑料那樣，用一根絲、一個噴頭一層層堆出來，是不少人對金屬3D打印的新期待。

粉末貴、激光貴，還得充惰性氣體把氧氣趕走，要是打印鋁能像桌面FDM那樣直接擠出來，成本和門檻都能往下一大截。

期待歸期待，約翰斯霍普金斯大學最新研究拿一臺叫Minerva的鋁合金打印機，去打一個最簡單的邊長40mm方筒，噴頭850°C、熱床485°C、走速350mm/min全是默認參數，結果方筒每次都在第20到30層之間把噴頭活活堵死，哪一層堵，事先無法預測。

堵的方式也不體面。

擠出來的鋁在噴頭口先凝住一點，跟下面那層脫開，噴頭繼續走，凝住的料被拖著在表面劃出一道道平行的劃痕，直到那根料被徹底扯斷。

堵頭不是某一瞬間。堵了十幾層、肉眼可見地越來越糙，最后才徹底堵死。

方筒打到一半堵頭，凝固的料沿刀路被拖出劃痕，右下角表面輪廓顯示堵頭前峰谷起伏越來越大。

這技術叫MEAM，熱熔擠出金屬增材，原理就是金屬版的FDM。

這篇論文背后的錢來自美國國防威脅降低局DTRA，看中的是在關鍵現場，能就地把零件打出來的能力。

聽上去很美，可液態金屬跟塑料絲不是一回事。

它黏度低、導熱快、表面張力大，這三樣湊一起，能穩定擠出來堆成三維結構的窗口，比塑料窄太多。

材料用的是：

論文把窄工藝窗口里的兩個難處擺了出來：欠熱和過熱。

左為MEAM擠出沉積示意，中、右分別為堵頭與過熱塌陷兩種失效模式。

欠熱帶來堵頭。

打得越高，離熱床越遠，熱量從對流跑掉，上一層的頂面溫度一路往下掉。

掉到某個高度，頂面已經冷到沒法被新擠上來的料重新熔開，新料一碰偏冷的舊層就先凝了，于是脫開、拖拽、堵頭。

過熱是反過來的過程，擠料帶進來的熱，超過了對流和傳導往外散的速度，熱量在件上越積越多。

論文打了個半徑5mm、高10mm的小七邊形管，默認速度下表面光滑到層紋都沒了，層與層化在一起、重熔過了頭，液態金屬表面張力一拽，打印路徑越往上越歪，整個件長偏。

換個半徑15mm、目標高50mm的，穩定地在30mm左右垮掉。

上圖小七邊形管層紋消失、路徑長偏；大尺寸管打到約30mm垮塌，頂面溫度持續累積。

論文的欠熱的解法有點反直覺。

塑料FDM是噴頭和熱床都恒溫，從頭到尾不動。

這篇的做法是噴頭溫度恒定，熱床溫度反而隨層高一層層往上調，越打越高、熱床給得越熱，目的就是把那個頂面溫度摁在500°C。

每層該給多少熱床溫度，他們在COMSOL里把不同層高的薄壁挨個算了一遍，擬合出一條隨層數往上翹的熱床溫度曲線。

上圖展示了薄壁頂面溫度沿高度的分布，隨層數升高而上揚

工藝窗口比較窄，噴頭溫度能用的范圍大概只有850°C到870°C這20度。

低到840°C，料一碰舊層就快速凝固，時斷時續地在噴頭口堆料又甩料，表面一會兒鼓包一會兒留空；

再低，頻繁堵頭。

高溫度表面是好看了，可到880°C，第一層跟熱床的附著又毀了。

下圖為840°C到880°C下打出的方筒，噴頭溫度過低過高都出問題，可用區間狹窄

過熱那頭，解法是給散熱留夠時間。

論文沒去定一個全局最高速度，而是反過來定每層至少要花多少時間的下限。

另一條路是往打印腔里吹20°C的風，件周圍環境溫度拉下來、加大對流，能打更大的高徑比。

有個細節特別能說明這套東西對工藝要求多嚴苛。

他們一開始按常規取對流換熱系數20，怎么模擬算都跟實測對不上。

后來發現是機器上給噴頭加熱器散熱的兩個風扇，從噴頭和波紋管之間的縫里往打印腔漏冷風，把本該是自然對流的散熱，變成了強迫對流。

最后連風扇漏的那點風都得喂進模型，結果才準。

把欠熱和過熱這套合起來，就是這篇論文工藝研究的完整流程。

先切片，按曲線給每層配熱床溫度，默認速度跑一遍，再拿每層時間去比模擬出來的冷卻時間下限，時間不夠就降速或吹風。

用上這套工藝自穩邏輯，那個原本必堵的40層方筒，熱像儀測出來的頂面溫度既不往下掉也不往上爬，穩住了。

40層方筒在TN=850°C、TPT=500°C下的頂面溫度，沿層數既無持續下降也無持續累積

工藝穩住了，在打印材料的硬度測試上，納米壓痕測下來沿高度都在0.8GPa上下，挺均勻。

各向同性這一點有意思，拉伸測出來加載方向不管順著層還是垂直于層，彈性模量沒有統計上的差別，說明層間是真熔到一起了，不是簡單疊著。

拉伸模量比鋁的名義值70GPa略低，論文歸因于層間夾著的小氣孔。

極限抗拉強度上順層略高于垂直層，退火后這點差異也基本抹平。

斷裂行為還是各向異性的，順層斷口呈韌性、有明顯頸縮，垂直層沿層間界面斷、偏脆。

孔隙率低到可以忽略，未退火件測出來是0.0003441%。

看下圖拉伸力學結果

順層與垂直層的彈性模量與極限抗拉強度對比，模量方向差異不顯著

唯一沿高度明顯變的是晶體取向。

簡單說來，底層和頂層的織構不一樣。

原因是底下那些層從頭到尾貼著熱床被高溫泡著，相當于挨了一道退火，再結晶把立方織構養了出來；

頂上的層打完沒多久件就出爐空冷，沒這個待遇，留下的是擠出本身帶來的剪切織構。

應用上，這套不止能打直上直下的方筒。

論文還打了帶傾斜壁、截面連續變化的渦輪葉片造型和方形雙漏斗，沒堵頭也沒過熱，沿高度表面質量一致。

再往復雜走，斯坦福兔子也打出來了，只是兔子的腳和耳朵這種地方出了問題。

相鄰層之間橫向錯位太快，超出熔融料保持搭接的能力，料掛不住、往下垂。

腿、背、臉這些地方是好的，垂只發生在最陡的懸垂處。

回到題目，這成果離能賣的商業技術方案大規模使用有多遠。

我們的判斷是，論文本身扎實，它把MEAM兩個最常見的失效機理講透了，還給了一套能自穩且帶數學模型的工藝流程。

但恰恰是這套流程的回答了為什么這技術還沒真正鋪開。

為了把一個方筒打穩，需要針對這個幾何在COMSOL里跑模擬、擬合出一條逐層的熱床溫度曲線、把噴頭溫度卡在20度的窗口里，對某些形狀還得把速度砍到三成。

這太復雜了。

還要看清這篇打的是什么底牌。前面提到材料是ER4043的液相632°C到固相574°C之間是一段比較寬的半固態糊狀區，本來就是金屬擠出里相對好打的那一類。

我們并不是說擠出金屬3D打印這個技術并非毫無前途。

它現在的客戶主要是大學、研究所、愿意自己折騰參數的創新型公司，還不是要穩定量產零件的工廠。

如果這個技術需要繼續提升，論文自己也把出路指了出來。

噴頭溫度和走速做成動態可調，需要更接近真實連續沉積的瞬態熱模擬，把路徑規劃當核心去做。

等到不用再為每個件單獨算一條熱床和噴頭溫度曲線那天，它才有可能走入工廠。

現在它是不錯的研究方向，但離能商業化還相距甚遠。

但這條路值得有人接著往下走，它跟主流的激光粉末床根本不是一套邏輯。

不用激光，不用金屬粉，不用惰性氣體或者用一小部分局部氣保即可。

金屬3D打印要想走入千家萬戶，獲得非金屬消費級3D打印界拓竹創想一般的成功，我們認為足夠安全和無氣體保護是其中兩個核心要素。

對于MEAM來說，工藝難、打印效果不佳，可它在的意義在于有可能降低金屬打印門檻。

這種路線啟發，可能比眼下的難以商業化更值得關注。