太冷門：固相摩擦金屬3D打印技術(shù)，國內(nèi)發(fā)展幾何？

導(dǎo)讀：在制造業(yè)的發(fā)展歷程中，技術(shù)的革新總是帶來生產(chǎn)力的飛躍。固相摩擦增材技術(shù)，也稱攪拌摩擦沉積3D打印技術(shù)，作為一種新興的金屬3D打印技術(shù)，正以其獨(dú)特的優(yōu)勢在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域掀起一場制造革命。

固相摩擦增材技術(shù)能夠在固態(tài)條件下進(jìn)行材料加工，能夠有效避免熔融過程中可能產(chǎn)生的缺陷，確保材料的力學(xué)性能優(yōu)良。此外，固相摩擦增材技術(shù)還具有較低的能耗和材料浪費(fèi)，符合當(dāng)前社會對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求。這種技術(shù)通過固態(tài)加工方式，實(shí)現(xiàn)了材料的高效利用和零件性能的顯著提升，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造提供了更多可能。

在第四屆航空航天大會上，南極熊看到了航天工程裝備（蘇州）有限公司（AEE）展出的固相摩擦增材技術(shù)打印的多個零件。經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)幾年前在國內(nèi)還處于空白狀態(tài)，而如今國內(nèi)已經(jīng)有多家單位正在開展相關(guān)研究甚至開發(fā)出了相關(guān)的技術(shù)裝備，例如：天津大學(xué)固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)，陜西智拓公司等。

固相摩擦增材技術(shù)概覽

固相摩擦增材技術(shù)是一種創(chuàng)新的制造工藝，它通過在低于材料熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行分層切片和擴(kuò)散焊接，逐層堆積金屬材料，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)熔融增材制造不同，這一技術(shù)避免了熔化和再凝固的過程，從而提高了材料的力學(xué)性能和致密性。該技術(shù)的核心在于對一個固體進(jìn)料桿（打印材料）進(jìn)行加熱和旋轉(zhuǎn)，并向下推進(jìn)，當(dāng)送料桿接觸到下面的基材時(shí)，通過摩擦粘在基材上，利用摩擦熱將材料加熱至發(fā)生塑性變形，但絕不會熔化。然后通過攪拌工具將加熱的材料均勻混合，最終在目標(biāo)形狀上沉積成型。

△獲得專利的MELD固態(tài)工藝。照片來自MELD制造。

此前，南極熊曾對國外MELD制造公司推出的攪拌摩擦沉積3D打印技術(shù)展開過系統(tǒng)介紹：比SLM快十倍的攪拌摩擦沉積3D打印技術(shù)，MELD制造公司與大學(xué)合作推進(jìn)新技術(shù)研究-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺。與主流的激光、電子束和電弧增材制造技術(shù)相比，固相摩擦擠壓增材制造工藝具有以下優(yōu)勢：低熱影響區(qū)：由于材料是在固態(tài)下加工，熱影響區(qū)較小，能夠有效減少材料變形和組織變化，可獲得無凝固缺陷、完全致密、低殘余應(yīng)力且力學(xué)性能優(yōu)異的金屬零部件；

1)     優(yōu)越的力學(xué)性能：成型后材料的強(qiáng)度和韌性通常優(yōu)于傳統(tǒng)熔融增材制造的材料；

2)     廣泛的材料適用性：可適用于鋁、鎂、銅等多種金屬材料，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域；

3)     制造高效可持續(xù)：增材沉積速度高數(shù)倍，沉積過程綠色環(huán)保、生產(chǎn)效率高；

4)     開放式工作環(huán)境：不需要保護(hù)氣或昂貴的真空系統(tǒng)，可以打印超大型金屬零件。

固相摩擦增材技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涵蓋航空航天、汽車制造、模具制造等多個行業(yè)。在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)可以用于制造高強(qiáng)度和高可靠性的結(jié)構(gòu)件，滿足極端環(huán)境下的使用要求。在汽車行業(yè)，利用該技術(shù)能夠有效降低重量，提高燃油效率，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

國內(nèi)固相摩擦增材技術(shù)的進(jìn)展

幾年前，固相摩擦增材技術(shù)在中國國內(nèi)還處于空白狀態(tài)，僅有美國MELD制造公司開展相關(guān)的研究。然而，國內(nèi)如今已經(jīng)有多家單位開發(fā)出了這項(xiàng)技術(shù)。

AEE與澳門發(fā)展及質(zhì)量研究所聯(lián)合研制的攪拌摩擦固相增材設(shè)備，是國內(nèi)首臺科研型設(shè)備，標(biāo)志著中國在這一領(lǐng)域的重大突破。該設(shè)備采用橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可搭載傳統(tǒng)機(jī)械刀柄和具備數(shù)據(jù)采集及智能閉環(huán)控制功能的“智慧刀柄”，使用10毫米合金棒料為原材料，能夠進(jìn)行輕質(zhì)合金固相增材制表面改性、涂層制備及新材料研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)有色金屬、黑色金屬、異質(zhì)合金、高溫合金等材料的固相制造。相關(guān)設(shè)備已順利交付北京科技大學(xué)使用，將用于相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)科研與前沿技術(shù)探索。

AEE作為國家級“專精特新”小巨人企業(yè)，其在攪拌摩擦固相增材領(lǐng)域的技術(shù)和服務(wù)優(yōu)勢顯著。公司與IDQ團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，針對客戶需求進(jìn)行了定制化設(shè)計(jì)，并申請了攪拌摩擦固相增材共有知識產(chǎn)權(quán)專利三十余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文十余篇。這些成就不僅推動了國內(nèi)智能制造工藝裝備的發(fā)展，也為我國在全球固態(tài)增材制造技術(shù)領(lǐng)域中贏得了一席之地。

除了航天工程裝備（蘇州）有限公司，國內(nèi)也有多家單位在固態(tài)增材技術(shù)方面進(jìn)行深入研究和開發(fā)。其中，天津大學(xué)固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)固相摩擦金屬增材制造工藝的開拓者：天津大學(xué)成功開發(fā)固相摩擦擠壓增材制造技術(shù)及設(shè)備-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺。該團(tuán)隊(duì)擁有一支由教授為核心，博士生和碩士生組成的高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)，致力于為固相摩擦擠壓增材制造工藝及相關(guān)的優(yōu)質(zhì)技術(shù)服務(wù)。研究團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，以提升材料的性能和打印效率。他們自主研發(fā)出國內(nèi)首臺連續(xù)送棒料固相摩擦擠壓增材制造裝備，已完全掌握多種鋁合金和鎂合金超大尺寸結(jié)構(gòu)件的增材制造核心工藝，目前處于產(chǎn)業(yè)化階段。產(chǎn)品的核心價(jià)值在于解決了目前主流金屬增材制造技術(shù)很難制備大尺寸(米級)、高性能及高承載增材結(jié)構(gòu)件的局限性，尤其為鋁及鎂合金結(jié)構(gòu)件增材制造開辟新途徑。

固相摩擦擠壓增材制造設(shè)備及試驗(yàn)工作平臺(2020年)

陜西智拓公司也是固相摩擦增材技術(shù)的積極參與者，專注于技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和市場推廣：曝光：固相增材制造技術(shù)，陜西智拓1200噸位-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺。該公司的固相增材制造技術(shù)是通過分層切片和擴(kuò)散焊接的方式，將金屬材料逐層堆積，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。技術(shù)原理在于在低于材料熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行固相焊接，避免了熔化和再凝固的過程，從而提高了材料的力學(xué)性能和致密性。陜西智拓的技術(shù)優(yōu)勢在于快速成型、材料多樣性以及成本效益，尤其在小批量生產(chǎn)和復(fù)雜產(chǎn)品制造中展現(xiàn)出較高的成本效益。目前，該公司正在通過與多家科研機(jī)構(gòu)合作，加快固態(tài)增材技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。

結(jié)語

固相摩擦增材技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，正在成為航空航天制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。從航天工程裝備（蘇州）有限公司的成功實(shí)踐，到天津大學(xué)和陜西智拓等單位的積極探索，國內(nèi)在這一技術(shù)領(lǐng)域的研究正在蓬勃發(fā)展。相信隨著國內(nèi)越來越多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，不僅在航空航天領(lǐng)域，還將在汽車、醫(yī)療等多個行業(yè)發(fā)揮重要作用。未來，隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的不斷拓展，固相摩擦增材技術(shù)有望為全球制造業(yè)帶來革命性的變化。南極熊也將持續(xù)關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展，為讀者帶來最新的行業(yè)動態(tài)和技術(shù)進(jìn)展。

國產(chǎn)固相增材技術(shù)來了