全新金属3D打印技术，超声波共振辅助沉积！

导语:

金属增材制造迎来新曙光！一项突破性研究成果横空出世，颠覆了传统金属3D打印的成形方式。来自亚利桑那州立大学的研究团队，首次将超声振动引入金属增材制造领域，提出了一种全新的技术路线—共振辅助沉积(Resonance-Assisted Deposition，简称RAD)。众所周知，超声振动因其独特的机械能耦合方式，在金属塑性成形领域应用广泛。高频振动能促进晶界原子扩散，实现金属的固态连接。将超声振动与增材制造相结合，能否突破金属3D打印的瓶颈，实现更加高效、精细、环保的成形制造？RAD技术给出了肯定的答案。

这种全新的「振动塑性成形+原子扩散连接」工艺，有望在能效、精度、成形质量等方面全面超越现有技术，引领金属增材制造迈入新的领域和应用。那么，RAD技术究竟有何特点？其幕后的科学原理是什么？这项技术对金属3D打印行业意味着什么？AM易道试图一探究竟。

文章具体发表信息

https://doi.org/10.3390/ma17102188

震撼亮相，RAD技术的别具一格

相比传统金属增材制造工艺，AM易道认为RAD技术可谓「别具一格」：1. 与粉末床熔融(LPBF)、传统的定向能量沉积(DED)等工艺不同，RAD无需将金属熔化，而是利用超声振动诱发金属软化和固态连接，实现「冷态」成形。这不仅可显著降低能耗，还能避免高温带来的材料氧化、应力变形等问题。2. 与其他超声辅助增材技术相比，如超声辅助搅拌摩擦(UAM)、超声波粉末沉积(UPD)等，RAD采用独特的共振式振动模式，频率更高(40kHz)，振幅更小(1μm)，可实现更「精准」的能量输入和塑性流动控制。3. RAD直接采用金属丝作为原料，无需制备粉末，工艺简单，成本低廉。4. 超声振动带来的应变促进效应，可加速原子扩散，使金属在「冷态下」快速实现冶金结合。

RAD技术应运而生，源于基础研究新发现

长期以来，学术界对超声振动对金属力学性能和扩散行为的影响有诸多研究。

美国科学家在上世纪60年代就发现，超声振动可显著降低金属的屈服强度。

此后，其他科学家进一步揭示了超声软化效应的机理。与此同时，研究还发现，晶界处的缺陷密度越高，原子扩散速率就越快。

RAD技术正是巧妙地利用了这两个基础研究成果，将超声振动引入金属3D打印，从而实现了金属的常温塑性成形和原子扩散焊接。

精巧设计，RAD设备集成多项核心部件

下图展示了RAD 3D打印系统的示意图。

其核心部件是一个中空的波导锥，内部装有压电陶瓷，可产生40kHz的超声振动。

金属细丝从波导锥顶端送入，经超声振动软化后被挤压变形，并与基板或已沉积层紧密结合。

波导锥还可沿三个方向运动，控制金属丝的沉积路径。

整套系统配备了基板加热装置，以辅助扩散过程。

图(a)：该图展示了RAD 3D打印的实验装置示意图。装置包括一个三轴运动系统，打印头通过振动传感器施加40kHz的振动，金属丝材通过一个0.5毫米直径的空心圆柱形工具进行传递。

图(b)：该图描述了单位成型体（voxel）形成过程。丝材在振动和压缩作用下，从圆形截面变为矩形截面，同时实现单位成型体之间的连接。图(c)：该图展示了在RAD过程中的工具运动路径。打印头在每次压缩周期后沿X-Y平面移动一定距离，然后重复压缩周期，形成新的单位成型体。

RAD工艺初露锋芒，近净成形优势凸显

研究人员以6061铝合金为例，系统评估了RAD工艺的成形能力。

下图所示为RAD打印的各类铝合金样件，其形状复杂多变，却能够实现近净成形。这些样件的相对密度高达99.95%，体现了RAD工艺出色的成形质量。

此外，打印件表面光滑平整，尺寸精度高，几乎不需要后处理。

这些优势得益于RAD采用金属丝为原料，避免了粉末工艺易产生的「台阶效应」和「球化」等缺陷。

图中展示了通过RAD技术打印的铝合金6061物件。这些物件展示了RAD技术能够处理复杂几何形状和高长宽比结构的能力。物件表面光滑，显示出优异的打印质量。

工艺参数优化，实现高质高效打印

RAD工艺涉及多个关键参数，如超声振动频率、振幅、进给速度、层厚、搭接间距等。

这些参数直接影响RAD打印件的成形质量和效率。研究人员通过系统实验，优选出一套适合6061铝合金打印的工艺窗口：

超声频率40kHz，振幅1μm，层厚0.12mm，搭接间距0.6mm。

关于打印路径策略和搭接间距对零件质量的影响。下图展示了一种双轮廓+交错填充的打印路径，有利于提高零件的表面质量和力学性能。

当搭接间距过大(0.7mm)时，相邻道次间会形成大量未熔合缺陷，严重影响零件致密度。而当搭接间距优化到0.6mm时，道次间缺陷明显减少，零件致密度可达99.95%。

微CT扫描进一步证实,合理的搭接间距能够显著改善RAD打印件的缺陷分布。未来还需在参数与成形质量的内在关联方面开展更深入的研究，建立RAD工艺的优选准则和预测模型。


图(a)：图中展示了用于打印组件的路径策略。该策略包括两个外壁和+45°/-45°的填充。首先打印外壁，然后进行填充。

图(b)：该图展示了一个具有不足重叠（0.7毫米间距）的打印组件的横截面光学图像，显示了内部缺陷。

图(c)：该图展示了一个具有足够重叠（0.6毫米间距）的打印组件的横截面光学图像，显示了内部缺陷的显著减少。

图(d)：该图展示了通过微CT扫描的打印样品几何形状。

图(e)：该图展示了具有不足重叠的打印样品的内部缺陷结构，红色区域显示了缺陷的大小和形状。

图(f)：该图展示了具有足够重叠的打印样品的内部缺陷结构，优化后的工艺参数显著减少了红色缺陷区域。

超声软化，固态连接，RAD技术原理解密

RAD技术巧妙融合了超声软化和固态扩散连接两大机理。

当金属丝经受高频振动时，位错运动加速，材料流变应力大幅降低。

这使得金属丝可在较低的应力下发生塑性变形，并被压扁为片状。

同时，振动诱发形成大量晶界位错，促进原子扩散，使相邻金属片之间快速实现冶金结合（下图）。

研究人员通过TEM观察到Al-Ni界面处存在非晶氧化物。但对位错、缺陷的形成过程和演化行为，以及界面结合的动力学机制，还需开展深入系统的研究。

图(a)：该图是通过透射电子显微镜（TEM）拍摄的纯铝与纯镍界面亮场图像。图中可见在振动初期铝的氧化层被破坏，有些氧化物残留在层间界面上。界面附近的铝显示出高密度的晶体缺陷。

图(b)：该图是高分辨率TEM图像，显示了界面区域的晶体缺陷（层错）。

图(c)：该图展示了界面区域的氧化物，该氧化物呈现无定形状态，通过电子衍射显微镜可以观察到。

RAD工艺精度高，适合打印复杂结构

下图展示了RAD打印的薄壁件，其高宽比可达20:1，表明RAD工艺能够实现复杂精细结构的成形。

这主要得益于RAD采用金属丝为馈料，可有效抑制因粉末熔池不稳定引起的「球化」缺陷。

此外，由于基材和沉积层始终保持固态，熔池坍塌和变形问题也可避免。

这些特点使RAD工艺在打印高宽比薄壁、悬臂、内腔等复杂结构时具有独特优势。

使用RAD工艺打印的铝6061物件及其表面纹理

图(a)：图中展示了使用RAD工艺打印的铝6061物件。

图(b)：该图展示了平行于XY平面的表面光学图像，显示了打印过程中形成的表面纹理。

图(c)：该图展示了平行于XZ平面的表面光学图像，显示了打印过程中形成的侧面纹理。

图(d)：该图展示了一个打印的高长宽比薄壁样品，展示了RAD工艺在处理高长宽比结构方面的优势。

力学性能良好，但各向异性依然存在

拉伸测试结果显示，RAD打印的6061铝合金试样，在打印方向和垂直方向上的抗拉强度相当，达到铝合金丝材强度的75%。

但垂直方向的延展性明显较差，这主要是由于层间界面处残留的氧化夹杂所致。

为全面评估RAD工艺的力学性能，未来还需扩展到压缩、弯曲、疲劳等测试，并分析打印件的显微组织及其各向异性。

打印样品的机械性能测试结果

图(a)：该图展示了水平和垂直测试样品的抗拉强度（UTS）值。图(b)：该图展示了水平和垂直测试样品的延伸率值。图(c)：该图展示了拉伸测试后的水平测试样品光学图像。图(d)：该图展示了拉伸测试后水平测试样品的断裂面光学图像。图(e)：该图展示了拉伸测试后的垂直测试样品光学图像。图(f)：该图展示了拉伸测试后垂直测试样品的断裂面光学图像。

材料适用性广，挑战与机遇并存

目前，RAD工艺已在6061、7075等铝合金上实现了较好的打印效果。这为传统难焊铝合金构件的增材制造带来新的解决方案。

但对于其他工程合金体系，如钛合金、高温合金、高强钢等，RAD工艺的适用性还有待系统评估。

不同材料的可打印性差异，以及工艺参数优化等，都是后续研究需要攻克的难题。同时，随着RAD工艺不断完善，有望进一步拓展增材制造的材料选择空间。

商业化在即，RAD技术前景广阔

AM易道认为，RAD技术有望掀起金属3D打印的新变革：

1.超低能耗(0.1mJ/mm³)和近净成形能力，将大幅降低金属3D打印成本，提高生产效率。

这有利于3D打印在航空航天、汽车等批量生产领域的推广应用。

2.无需高温熔化，使RAD技术可直接成形难焊铝合金，如6061、2024等。这将扩大增材制造的材料选择空间。

3.设备结构简单，体积小巧，非常适合在轨制造、野外应急维修等特殊应用场合。

对企业而言，RAD技术带来诸多商机：抢先布局RAD设备制造与工艺开发，提供增材制造整体解决方案，必将在未来的竞争中占据先机。

同时RAD有望与传统增材制造技术互补，共同推动行业发展。

结语

RAD技术以其独特的固态成形方式，为金属3D打印带来新的活力。它的出现，再次印证了基础研究对产业进步的重要引领作用。

展望未来，RAD技术还需在机理认知、工艺优化、材料拓展等方面持续攻关。

可以预见的是，这项全新的技术将震动金属增材制造的未来格局。

您对全新的RAD技术还有哪些期待? 在应用中还想解决哪一些独特的痛点和需求?