Materials Today：熔絲制造技術3D打印塊體非晶合金

【引言】

近年來，基于熔絲制造技術實現熱塑性塑料的3D打印，已經逐漸發展成為一項相當成熟的制造手段。相較之下，金屬材料的3D打印仍然面臨著諸多限制與挑戰。以最為常見的金屬3D打印技術—粉床熔融為例，這一技術主要利用激光或電子束將金屬粉末熔融，并使之沉積成為三維零件。相比于熔絲制造，粉床熔融技術成本高昂，且技術復雜，無疑制約著金屬3D打印的推廣與發展。從可加工性角度而言，金屬與塑料之間如此懸殊的差距，主要是由于常見的金屬缺乏良好的熱塑性。另一方面，塊體非晶材料作為一種特殊的金屬合金，卻擁有著與塑料相似的熱塑性質：將其加熱到玻璃化轉變溫度之上后，其能逐漸軟化，因此在較低的壓力之下即可發生變形，從而彌合了金屬與塑料在可加工性能方面的差距。盡管如此，目前塊體非晶的3D打印仍然主要基于傳統的粉床熔融技術，能否基于塊體非晶特有的熱塑性簡化其3D打印工藝，成為了一個亟待探討的課題。

近日，耶魯大學Jan?Schroers教授課題組在Materials?Today上發表了題為“3D printing metals like thermoplastics: Fused filament fabrication of metallic glasses”的研究論文。文章利用廣泛應用于熱塑材料3D打印的熔絲制造技術（Fused?Filament?fabrication），實現了Zr基大塊非晶（Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅）的3D打印。經由3D打印技術得到的非晶部件結構緊實，且仍然保持著無定型態，未觀察到晶化現象。與常見的金屬3D打印技術相比，利用熔絲制造技術3D打印的塊體非晶擁有如下幾個顯著優點：無需真空或保護氣氛環境；免去了激光源或電子束源帶來的能源消耗；無需制備非晶粉末或燒結，簡化了加工流程；提升了打印速度，達到了10mm³/s。

【圖文導讀】

圖一：金屬，非晶與熱塑塑料的加工性能

(a)金屬，塊體非晶與ABS塑料三者的強度與粘度隨溫度的變化示意圖。X軸為溫度，左側Y軸為強度，右側Y軸為粘度。圖中淡藍色區域為適宜進行熔絲制造的粘度區間。

(b)塊體非晶的時間溫度轉變曲線（TTT）。圖中淡藍色區域代表了塊體非晶適宜進行熔絲加工的溫度范圍。

圖二：塊體非晶熔絲制造的示意圖

(a)塊體非晶熔絲制造的示意圖

(b)塊體非晶熔絲制造的實驗平臺

(c)送絲機構

(d)擠出噴嘴

(e)底部加熱臺

(f)電容器組

圖三：塊體非晶3D打印的實物圖

(a)連續打印而成的塊體非晶部件

(b)間斷打印而成的塊體非晶部件

(c)上述兩種打印方式能夠得到緊實，不含孔洞的部件

(d)圖（c）的放大圖像

圖四：塊體非晶部件的宏微觀表征

（a）XRD表征

（b）DSC表征

（c）拉伸性能比較

（d）塊體非晶的SEM 圖像

（e）無焦耳加熱的情況下，打印的不同層之間不存在結合力

（f）打印的部件（左）與初始原材料（右）的外觀比較

圖五：擠出力隨粘度變化示意圖

隨著塊體非晶的初始尺寸增加，在同一粘度，所需擠出力下降

【總結】

這項研究報道了基于熔絲制造技術實現塊體非晶的3D打印。這項技術成功的關鍵在于：塊體非晶本身所具有的熱塑性能，以及層與層之間的冶金結合。拉伸試驗結果顯示，利用這項技術加工得到的塊體非晶部件，其強度超過了以往3D打印塊體非晶的最高紀錄，并足以躋身于金屬3D打印所能達到的最高強度之列。除此之外，熔絲制造技術加工時無需真空或惰性氣體環境，同時相對較低的加工溫度也避免了非晶重熔而可能引起的再結晶及熱收縮。該研究表明，熔絲制造技術是實現塊體非晶3D打印的有效手段，并且有望推動塊體非晶3D打印技術的快速發展。

本文由胡仲略供稿。

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