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(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(jié)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(jié)合鋁和鋼可以顯著減輕重量而不犧牲必要的結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合,，必須首先徹底了解原位合金化的機理�,！被�于��,，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(jié)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