研究人员展示了液态金属的快速3D打印

麻省理工学院的研究人员开发了一种增材制造技术，可以用液态金属快速打印，在几分钟内生产出桌腿和椅架等大型零件。

他们的技术称为液态金属打印（LMP），涉及将熔融铝沿着预定的路径沉积到微小的玻璃珠床中。铝迅速硬化成 3D 结构。

研究人员表示，LMP比同类金属增材制造工艺至少快10倍，并且加热和熔化金属的过程比其他一些方法更有效。

该技术确实牺牲了分辨率来换取速度和规模。虽然它可以打印比通常使用较慢的增材技术制造的组件更大的组件，并且成本更低，但它无法实现高分辨率。

例如，使用 LMP 生产的零件适用于建筑、施工和工业设计中的某些应用，在这些应用中，较大结构的组件通常不需要非常精细的细节。它还可以有效地用于回收或废金属的快速原型制作。

在最近的一项研究中，研究人员通过打印铝制框架和桌椅部件来演示该程序，这些部件的强度足以承受印后加工。他们展示了用LMP制成的组件如何与高分辨率工艺和其他材料相结合，以创造功能性家具。

“这是我们对金属制造的看法完全不同的方向，它具有一些巨大的优势。它也有缺点。但是，我们周围的大多数建筑世界（如桌子、椅子和建筑物）都不需要极高的分辨率。速度和规模，以及可重复性和能耗，都是重要的指标，“建筑系副教授兼自组装实验室联合主任Skylar Tibbits说，他是一篇介绍LMP的论文的资深作者。

Tibbits的主要作者Zain Karsan SM ’23加入了这篇论文，他现在是苏黎世联邦理工学院的博士生;以及 Kimball Kaiser SM ’22 和研究科学家兼实验室联合主任 Jared Laucks。该研究在建筑计算机辅助设计协会会议上发表，最近发表在该协会的论文集上。

显著加速

一种在建筑和建筑中常见的金属打印方法，称为线弧增材制造 （WAAM），能够生产大型、低分辨率的结构，但这些结构容易开裂和翘曲，因为在打印过程中必须重新熔化某些部分。

另一方面，LMP使材料在整个过程中保持熔融状态，避免了重熔引起的一些结构问题。

借鉴该小组之前在橡胶快速液体打印方面的工作，研究人员建造了一台机器，可以熔化铝，保持熔融金属，并通过喷嘴高速沉积。大型零件可以在几秒钟内打印出来，然后铝液在几分钟内冷却。

“我们的处理速度确实很高，但也很难控制。这或多或少就像打开水龙头一样。你有大量的材料要熔化，这需要一些时间，但一旦你把它熔化，就像打开水龙头一样。这使我们能够非常快速地打印这些几何形状，“Karsan 解释道。

该团队之所以选择铝，是因为它通常用于建筑，并且可以廉价有效地回收利用。

面包大小的铝片被放入电炉中，“这基本上就像一个放大的烤面包机，”Karsan补充道。炉内的金属线圈将金属加热到 700 摄氏度，略高于铝的 660 度熔点。

铝在石墨坩埚中保持高温，然后熔融材料通过陶瓷喷嘴重力送入预设路径的打印床中。他们发现，他们可以熔化的铝量越大，打印机的速度就越快。

“熔融铝会摧毁其路径上的几乎所有东西。我们从不锈钢喷嘴开始，然后转向钛，最后我们用陶瓷。但即使是陶瓷喷嘴也会堵塞，因为喷嘴尖端的加热并不总是完全均匀的，“Karsan 说。

通过将熔融材料直接注入颗粒状物质中，研究人员无需打印支撑物来保持铝结构的形状。

完善流程

在选择100微米的玻璃珠之前，他们尝试了多种材料来填充打印床，包括石墨粉和盐。微小的玻璃珠可以承受熔融铝的极高温度，充当中性悬浮液，因此金属可以快速冷却。

“玻璃珠非常细腻，拿在手里感觉就像丝绸一样。粉末非常小，以至于它不会真正改变打印物体的表面特性，“Tibbits说。

坩埚中容纳的熔融材料量、打印床的深度以及喷嘴的尺寸和形状对最终物体的几何形状影响最大。

例如，首先打印直径较大的物体部分，因为随着坩埚的清空，喷嘴分配的铝量逐渐减少。改变喷嘴的深度会改变金属结构的厚度。

为了帮助LMP过程，研究人员开发了一个数值模型来估计在给定时间将沉积到打印床中的材料量。

Tibbits解释说，由于喷嘴将喷嘴推入玻璃珠粉末中，研究人员无法观察熔融铝的沉积情况，因此他们需要一种方法来模拟打印过程中某些点应该发生的事情。

他们使用 LMP 快速生产厚度可变的铝制框架，这些框架足够耐用，可以承受铣削和镗孔等加工过程。他们展示了LMP和这些后处理技术的结合，以制造由分辨率较低、快速打印的铝制部件和其他组件（如木块）组成的椅子和桌子。

展望未来，研究人员希望在机器上不断迭代，以便他们能够在喷嘴中实现一致的加热，以防止材料粘连，并更好地控制熔融材料的流动。但是较大的喷嘴直径会导致打印不规则，因此仍有技术挑战需要克服。

“如果我们能制造出这台机器，人们可以真正用它来熔化再生铝和打印零件，那将是金属制造领域的游戏规则改变者。目前，它还不够可靠，无法做到这一点，但这就是目标，“Tibbits说。

“在Emeco，我们来自非常模拟的制造领域，所以看到液态金属打印创造出细微的几何形状，并有可能制造出完全结构的零件，这真的很有吸引力，”家具公司Emeco的业务发展负责人Jaye Buchbinder说，他没有参与这项工作。“液态金属打印在能够以定制几何形状生产金属零件方面确实走在了这条线上，同时保持了其他打印或成型技术通常无法获得的快速周转时间。该技术绝对有可能彻底改变目前金属打印和金属成型的处理方式。