顛覆金屬列印方式，美國LLNL實驗室研發“金屬直寫”技術

作為全球領先的3D列印研究中心之一， 美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在金屬3D列印領域碩果累累， LLNL不僅致力於複雜金屬3D列印零部件的開發， 通過他們的建模能力、資料採擷技術和不確定性分析來優化3D列印金屬零件， 還致力於研發金屬3D列印的新材料和新工藝。

最近三年以來， LLNL 開展了一個新的金屬3D列印技術研究專案–金屬直寫技術（Direct Metal Writing）， 並希望通過該技術克服目前粉末床3D列印技術所存在的不足。

擠出半固體的金屬材料

金屬直寫技術（Direct Metal Writing）是由LLNL與伍斯特理工學院合作進行研發的。 與粉末床3D列印技術不同的是，

金屬直寫技術所使用的列印材料不是金屬粉末， 而是由金屬鑄塊加熱而成的半固體狀材料， 材料中的固體金屬顆粒被液體金屬所包圍， 呈現出膏體一樣的狀態。 像膏體一樣的金屬材料在壓力的作用下， 通過列印噴嘴擠出。

LLNL實驗室的材料科學家指出，

這是一種剪切稀化材料， 當材料靜止時， 固體金屬顆粒聚集從而使得結構變為固態。 當材料流動時， 固體顆粒就會斷裂， 從而使材料變得像液體基質一樣。 這種材料在冷卻時變得堅硬， 因而在金屬直寫技術3D列印的零件中氧化物和殘餘應力更少。

以往在進行金屬零部件的3D列印時， 分析和驗證零部件的缺陷是一個很大的工作量， 而金屬直寫3D列印技術的成熟將有可能減少這些工作。

前期進行的列印零件測試取得了成功， 但LLNL表示該技術目前尚未成熟， 接下來還需要探索列印精度更高的工業級材料， 如鋁和鈦。

LLNL 通過金屬直寫設備3D列印鉍錫混合物材料

在項目小組2017年2月發表於Applied Physics Letters 期刊的論文中， 可以看到研究小組已使用熔點低於300攝氏度的鉍錫混合物材料來列印零件， 由於在列印中遇到了固體金屬堵塞噴頭的問題， 該試驗經過多次反覆運算才取得成功。

LLNL的工程師Andy Pascall表示， 金屬直寫3D列印技術研發的一個關鍵點是， 如何精確控制溫度和材料的流動，

掌握材料的流動屬性。 目前， 研究小組已經可以對流動進行良好的控制， 列印出自支撐結構。 據3D科學穀的市場研究， LLNL實驗的高性能計算能力可以準確模擬材料的流動， 該技術在開發碳纖維複合材料的“直接墨水書寫”3D列印工藝時已經應用過。 當時， LLNL模擬了碳纖維複合材料流經3D印表機噴頭， 以數以千計的液滴形成固體的過程。

在列印材料方面， 研究小組正在研究可應用於金屬直寫3D列印技術的鋁合金材料， 但由於鋁合金材料熔點較高， 這項研究中尚存在一些需要攻克的問題。 如果能夠成功開發出鋁合金材料， 那麼該技術將引起航空航太、交通等行業用戶的興趣。

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