日本科學(xué)家首創(chuàng)多材料3D打印技術(shù)制造輕質(zhì)高強汽車部件

東北大學(xué)通過3D 打印開發(fā)了一種耐用的鋼鋁合金，利用先進的激光技術(shù)克服了脆性挑戰(zhàn)，為創(chuàng)新的輕質(zhì)汽車部件鋪平了道路。

東北大學(xué)材料研究所和新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造孵化場中心的研究人員在多材料?3D 打印方面取得了重大突破，展示了其制造輕質(zhì)耐用汽車部件的潛力。

金屬3D 打印涉及逐層構(gòu)建物體，利用熱量將金屬層粘合在一起。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這種技術(shù)提供了非凡的精度，能夠創(chuàng)建獨特的、高度可定制的形狀，同時*大限度地減少材料浪費。

3D 打印的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠生產(chǎn)“多材料結(jié)構(gòu)”，這些結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性地組合不同的材料以優(yōu)化組件的性能。例如，在汽車零部件中將鋁與鋼集成可以在保持強度的同時顯著減輕重量，在汽車輕量化方面潛力巨大。這些優(yōu)勢使先進的?3D 打印技術(shù)成為全球研究人員的焦點，因為它們?yōu)橹圃鞓I(yè)的創(chuàng)新帶來了巨大的前景。

然而，這種技術(shù)確實帶來了一些挑戰(zhàn)。由于其工藝靈活性，多材料是增材制造領(lǐng)域的一個熱門話題，“Kenta Yamanaka 副教授（東北大學(xué)）解釋說，”實際實施中的一個主要挑戰(zhàn)是，對于某些金屬組合，例如鋼和鋁，可以在不同的金屬界面處形成脆性金屬間化合物，影響部件強度。因此，雖然材料現(xiàn)在更輕，但*終會變得更脆。

克服挑戰(zhàn)：激光粉末床熔融（L-PBF）

本研究的目標(biāo)是生產(chǎn)一種重量輕但不影響強度的鋼鋁合金。為此，研究團隊使用了激光粉末床熔融?（L-PBF），這是一種主要的金屬 3D 打印技術(shù)，它使用激光選擇性地熔化金屬粉末。

他們發(fā)現(xiàn)，提高激光器的掃描速度會顯著抑制脆性金屬間化合物（如?Al5Fe2?和?Al13Fe4）的形成。這種較高的掃描速度會導(dǎo)致非平衡凝固，從而*大限度地減少導(dǎo)致材料薄弱點的溶質(zhì)分配。因此，他們創(chuàng)造的*終產(chǎn)品表現(xiàn)出強大的粘合界面，*終獲得兼具輕量化和高強度的鋼鋁合金。

“換句話說，不能只是把兩種金屬拍在一起，然后期望它們在毫無計劃的情況下粘在一起，”特聘助理教授 Seungkyun Yim （東北大學(xué)）說，“我們必須先充分了解原位合金化機制。

基于這一成果，該研究團隊成功制作出世界上*具有定制幾何形狀的全尺寸汽車多材料部件（懸架塔）。該研究團隊打算將這些研究成果應(yīng)用于其他需要改善類似粘合問題的金屬組合，從而實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

研究結(jié)果于?2024 年 11 月 19 日發(fā)表在《增材制造》雜志上。

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