热熔挤出金属3D打印最新科研成果仍难商业化？

AM易道分享

让金属也能像塑料那样，用一根丝、一个喷头一层层堆出来，是不少人对金属3D打印的新期待。

粉末贵、激光贵，还得充惰性气体把氧气赶走，要是打印铝能像桌面FDM那样直接挤出来，成本和门槛都能往下一大截。

期待归期待，约翰斯霍普金斯大学最新研究拿一台叫Minerva的铝合金打印机，去打一个最简单的边长40mm方筒，喷头850°C、热床485°C、走速350mm/min全是默认参数，结果方筒每次都在第20到30层之间把喷头活活堵死，哪一层堵，事先无法预测。

堵的方式也不体面。

挤出来的铝在喷头口先凝住一点，跟下面那层脱开，喷头继续走，凝住的料被拖着在表面划出一道道平行的划痕，直到那根料被彻底扯断。

堵头不是某一瞬间。堵了十几层、肉眼可见地越来越糙，最后才彻底堵死。

方筒打到一半堵头，凝固的料沿刀路被拖出划痕，右下角表面轮廓显示堵头前峰谷起伏越来越大。

这技术叫MEAM，热熔挤出金属增材，原理就是金属版的FDM。

这篇论文背后的钱来自美国国防威胁降低局DTRA，看中的是在关键现场，能就地把零件打出来的能力。

听上去很美，可液态金属跟塑料丝不是一回事。

它黏度低、导热快、表面张力大，这三样凑一起，能稳定挤出来堆成三维结构的窗口，比塑料窄太多。

材料用的是：

论文把窄工艺窗口里的两个难处摆了出来：欠热和过热。

左为MEAM挤出沉积示意，中、右分别为堵头与过热塌陷两种失效模式。

欠热带来堵头。

打得越高，离热床越远，热量从对流跑掉，上一层的顶面温度一路往下掉。

掉到某个高度，顶面已经冷到没法被新挤上来的料重新熔开，新料一碰偏冷的旧层就先凝了，于是脱开、拖拽、堵头。

过热是反过来的过程，挤料带进来的热，超过了对流和传导往外散的速度，热量在件上越积越多。

论文打了个半径5mm、高10mm的小七边形管，默认速度下表面光滑到层纹都没了，层与层化在一起、重熔过了头，液态金属表面张力一拽，打印路径越往上越歪，整个件长偏。

换个半径15mm、目标高50mm的，稳定地在30mm左右垮掉。

上图小七边形管层纹消失、路径长偏；大尺寸管打到约30mm垮塌，顶面温度持续累积。

论文的欠热的解法有点反直觉。

塑料FDM是喷头和热床都恒温，从头到尾不动。

这篇的做法是喷头温度恒定，热床温度反而随层高一层层往上调，越打越高、热床给得越热，目的就是把那个顶面温度摁在500°C。

每层该给多少热床温度，他们在COMSOL里把不同层高的薄壁挨个算了一遍，拟合出一条随层数往上翘的热床温度曲线。

上图展示了薄壁顶面温度沿高度的分布，随层数升高而上扬

工艺窗口比较窄，喷头温度能用的范围大概只有850°C到870°C这20度。

低到840°C，料一碰旧层就快速凝固，时断时续地在喷头口堆料又甩料，表面一会儿鼓包一会儿留空；

再低，频繁堵头。

高温度表面是好看了，可到880°C，第一层跟热床的附着又毁了。

下图为840°C到880°C下打出的方筒，喷头温度过低过高都出问题，可用区间狭窄

过热那头，解法是给散热留够时间。

论文没去定一个全局最高速度，而是反过来定每层至少要花多少时间的下限。

另一条路是往打印腔里吹20°C的风，件周围环境温度拉下来、加大对流，能打更大的高径比。

有个细节特别能说明这套东西对工艺要求多严苛。

他们一开始按常规取对流换热系数20，怎么模拟算都跟实测对不上。

后来发现是机器上给喷头加热器散热的两个风扇，从喷头和波纹管之间的缝里往打印腔漏冷风，把本该是自然对流的散热，变成了强迫对流。

最后连风扇漏的那点风都得喂进模型，结果才准。

把欠热和过热这套合起来，就是这篇论文工艺研究的完整流程。

先切片，按曲线给每层配热床温度，默认速度跑一遍，再拿每层时间去比模拟出来的冷却时间下限，时间不够就降速或吹风。

用上这套工艺自稳逻辑，那个原本必堵的40层方筒，热像仪测出来的顶面温度既不往下掉也不往上爬，稳住了。

40层方筒在TN=850°C、TPT=500°C下的顶面温度，沿层数既无持续下降也无持续累积

工艺稳住了，在打印材料的硬度测试上，纳米压痕测下来沿高度都在0.8GPa上下，挺均匀。

各向同性这一点有意思，拉伸测出来加载方向不管顺着层还是垂直于层，弹性模量没有统计上的差别，说明层间是真熔到一起了，不是简单叠着。

拉伸模量比铝的名义值70GPa略低，论文归因于层间夹着的小气孔。

极限抗拉强度上顺层略高于垂直层，退火后这点差异也基本抹平。

断裂行为还是各向异性的，顺层断口呈韧性、有明显颈缩，垂直层沿层间界面断、偏脆。

孔隙率低到可以忽略，未退火件测出来是0.0003441%。

看下图拉伸力学结果

顺层与垂直层的弹性模量与极限抗拉强度对比，模量方向差异不显著

唯一沿高度明显变的是晶体取向。

简单说来，底层和顶层的织构不一样。

原因是底下那些层从头到尾贴着热床被高温泡着，相当于挨了一道退火，再结晶把立方织构养了出来；

顶上的层打完没多久件就出炉空冷，没这个待遇，留下的是挤出本身带来的剪切织构。

应用上，这套不止能打直上直下的方筒。

论文还打了带倾斜壁、截面连续变化的涡轮叶片造型和方形双漏斗，没堵头也没过热，沿高度表面质量一致。

再往复杂走，斯坦福兔子也打出来了，只是兔子的脚和耳朵这种地方出了问题。

相邻层之间横向错位太快，超出熔融料保持搭接的能力，料挂不住、往下垂。

腿、背、脸这些地方是好的，垂只发生在最陡的悬垂处。

回到题目，这成果离能卖的商业技术方案大规模使用有多远。

我们的判断是，论文本身扎实，它把MEAM两个最常见的失效机理讲透了，还给了一套能自稳且带数学模型的工艺流程。

但恰恰是这套流程的回答了为什么这技术还没真正铺开。

为了把一个方筒打稳，需要针对这个几何在COMSOL里跑模拟、拟合出一条逐层的热床温度曲线、把喷头温度卡在20度的窗口里，对某些形状还得把速度砍到三成。

这太复杂了。

还要看清这篇打的是什么底牌。前面提到材料是ER4043的液相632°C到固相574°C之间是一段比较宽的半固态糊状区，本来就是金属挤出里相对好打的那一类。

我们并不是说挤出金属3D打印这个技术并非毫无前途。

它现在的客户主要是大学、研究所、愿意自己折腾参数的创新型公司，还不是要稳定量产零件的工厂。

如果这个技术需要继续提升，论文自己也把出路指了出来。

喷头温度和走速做成动态可调，需要更接近真实连续沉积的瞬态热模拟，把路径规划当核心去做。

等到不用再为每个件单独算一条热床和喷头温度曲线那天，它才有可能走入工厂。

现在它是不错的研究方向，但离能商业化还相距甚远。

但这条路值得有人接着往下走，它跟主流的激光粉末床根本不是一套逻辑。

不用激光，不用金属粉，不用惰性气体或者用一小部分局部气保即可。

金属3D打印要想走入千家万户，获得非金属消费级3D打印界拓竹创想一般的成功，我们认为足够安全和无气体保护是其中两个核心要素。

对于MEAM来说，工艺难、打印效果不佳，可它在的意义在于有可能降低金属打印门槛。

这种路线启发，可能比眼下的难以商业化更值得关注。