傳統(tǒng)的金屬增材制造技術(shù)均采用高能熱源將材料熔化，這在材料的熔化/凝固過程中難免產(chǎn)生缺陷。本期我們要介紹的是一種新型的增材制造技術(shù)，它完全不基于高能熱源，也不需要保護(hù)氣氛，還能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整體構(gòu)件，它就是攪拌摩擦增材制造技術(shù)。近日，美國(guó)公司Meld Manufacturing采用該技術(shù)打印出了直徑3.05米的鋁合金零件。

3D打印的直徑3.05米的零件

攪拌摩擦增材制造的基礎(chǔ)是攪拌摩擦焊技術(shù)，它利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產(chǎn)生熱量軟化連接處的材料，再通過軸向的壓力使得材料連接在一起。這樣的焊接方式?jīng)]有經(jīng)過金屬的熔化與凝固，只是經(jīng)過塑性軟化和軸向的擠壓，連接處在材料性能上存在一定的優(yōu)勢(shì)。

攪拌摩擦焊的原理

攪拌摩擦增材制造就是基于攪拌摩擦焊的原理，把分離部件“連接”變成縱向的“堆積”，材料在高速旋轉(zhuǎn)的刀具作用下摩擦生熱，同時(shí)攪拌針的旋轉(zhuǎn)使得前進(jìn)側(cè)的材料跑到返回側(cè)，這樣摩擦以及塑性變形產(chǎn)生的熱量使材料軟化，再在刀具的縱向壓力下形成熔核組織; 刀具在控制系統(tǒng)的控制下按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)就會(huì)形成一個(gè)由焊核組織構(gòu)成的“純核”構(gòu)件，最終實(shí)現(xiàn)增材制造。

Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造過程

攪拌摩擦增材制造的三種進(jìn)料方式

筆者查詢資料發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊增材制造有三種進(jìn)料方式，分別是板材、旋轉(zhuǎn)棒料和粉末三種。基于板材的進(jìn)料方式很容易理解，但從Meld Manufacturing的制造過程來看，很顯然不是這種方式。從其原理圖可以看出，它采用的應(yīng)當(dāng)是棒材進(jìn)料。

meld manufacturing攪拌摩擦增材制造原理

meld manufacturing攪拌摩擦增材制造視頻演示

以棒材的進(jìn)料方式已經(jīng)證明了可以得到多道多層的成型件，其最大的特點(diǎn)是在送料和刀具上，也就是進(jìn)料棒還充當(dāng)了“刀具”的角色，起到摩擦擠壓的作用，所以此模式的材料利用率很高。對(duì)于以板材為進(jìn)料的方式，其進(jìn)料上主要是根據(jù)需要逐層添加板材，然后用獨(dú)立的刀具進(jìn)行摩擦增材制造，在材料利用率上打了很大折扣，而且由于進(jìn)料板的先前形狀，在成型件形狀上有了限制，所以成型控制性較差。另外，此方式需要夾具對(duì)進(jìn)料板進(jìn)行固定，給加工過程帶來不便。以粉料添加進(jìn)料的方式，可隨刀具運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)添加，具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。

基于多層板材的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦增材制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

這三種進(jìn)料方式的一個(gè)共同特點(diǎn)，也是該技術(shù)本質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)，就是經(jīng)過摩擦攪拌過程可以得到性能良好的微觀結(jié)構(gòu)(細(xì)晶組織)，而這正是實(shí)現(xiàn)良好機(jī)械性能的本質(zhì)。進(jìn)料通過與攪拌針摩擦生熱，發(fā)生塑性軟化，然后再通過兩者的擠壓，實(shí)現(xiàn)增材過程。在這樣的過程中，材料并未經(jīng)歷熔化與凝固而一直保持固態(tài)，且過程中的擠壓又起到“鍛造”作用，最終得到的是性能良好的細(xì)晶組織。細(xì)晶組織具有良好的機(jī)械性能和疲勞性能，且能改善材料的延展性，這也是材料提高強(qiáng)度等性能的原因。

Meld Manufacturing采用攪拌摩擦增材制造的部件

此外，由于成形過程中不存在金屬的熔化/凝固過程，材料在成形過程中不會(huì)產(chǎn)生與熔化相關(guān)的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發(fā)生在材料內(nèi)部也不會(huì)受外界影響造成材料氧化等問題，生產(chǎn)過程可以在露天環(huán)境中進(jìn)行，所制造的部件的尺寸顯著增加。

同其他大型金屬增材制造技術(shù)一樣，該技術(shù)所制造的零件需要通過銑削才能獲得最終成品。

攪拌摩擦增材制造可成型材料和應(yīng)用

雖然可查詢到的資料多以鋁合金的攪拌摩擦增材制造居多，但Meld Manufacturing已經(jīng)成功開發(fā)出鈦合金、銅合金、不銹鋼以及鎳基合金等主流材料的3D打印工藝。所制造的IN625的疲勞壽命相比原料棒材提高了4倍，并能夠以至少10倍于粉末熔融工藝的速度進(jìn)行材料沉積。而且，該工藝能夠制造多金屬材料和梯度材料。

Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造的銅合金部件

Meld Manufacturing的攪拌摩擦增材制造技術(shù)已經(jīng)在大型卡車和國(guó)防裝甲車輛中獲得應(yīng)用，該公司被美國(guó)陸軍選為遠(yuǎn)征技術(shù)服務(wù)商，使其盡可能靠近戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行維修和生產(chǎn)戰(zhàn)斗車輛部件，同時(shí)提高整體效率并降低成本。