日本科學家首創(chuàng)多材料3D打印技術制造輕質高強汽車部件

東北大學通過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克服了脆性挑戰(zhàn)，為創(chuàng)新的輕質汽車部件鋪平了道路。

東北大學材料研究所和新產業(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，展示了其制造輕質耐用汽車部件的潛力。

金屬3D 打印涉及逐層構建物體，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 打印的一個關鍵優(yōu)勢是能夠生產“多材料結構”，這些結構戰(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域的一個熱門話題，“Kenta Yamanaka 副教授（東北大學）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）

本研究的目標是生產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，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致非平衡凝固，從而*大限度地減少導致材料薄弱點的溶質分配。因此，他們創(chuàng)造的*終產品表現(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）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)更廣泛的應用。

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

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