傳統的金屬增材制造技術均采用高能熱源將材料熔化，這在材料的熔化/凝固過程中難免產生缺陷。本期我們要介紹的是一種新型的增材制造技術，它完全不基于高能熱源，也不需要保護氣氛，還能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整體構件，它就是攪拌摩擦增材制造技術。近日，美國公司Meld Manufacturing采用該技術打印出了直徑3.05米的鋁合金零件。
3D打印的直徑3.05米的零件
攪拌摩擦增材制造的基礎是攪拌摩擦焊技術，它利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產生熱量軟化連接處的材料，再通過軸向的壓力使得材料連接在一起。這樣的焊接方式沒有經過金屬的熔化與凝固，只是經過塑性軟化和軸向的擠壓，連接處在材料性能上存在一定的優勢。
攪拌摩擦焊的原理
攪拌摩擦增材制造就是基于攪拌摩擦焊的原理，把分離部件“連接”變成縱向的“堆積”，材料在高速旋轉的刀具作用下摩擦生熱，同時攪拌針的旋轉使得前進側的材料跑到返回側，這樣摩擦以及塑性變形產生的熱量使材料軟化，再在刀具的縱向壓力下形成熔核組織; 刀具在控制系統的控制下按照預定的軌跡運動就會形成一個由焊核組織構成的“純核”構件，最終實現增材制造。
Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造過程
攪拌摩擦增材制造的三種進料方式
筆者查詢資料發現，攪拌摩擦焊增材制造有三種進料方式，分別是板材、旋轉棒料和粉末三種。基于板材的進料方式很容易理解，但從Meld Manufacturing的制造過程來看，很顯然不是這種方式。從其原理圖可以看出，它采用的應當是棒材進料。
meld manufacturing攪拌摩擦增材制造原理
meld manufacturing攪拌摩擦增材制造視頻演示
以棒材的進料方式已經證明了可以得到多道多層的成型件，其最大的特點是在送料和刀具上，也就是進料棒還充當了“刀具”的角色，起到摩擦擠壓的作用，所以此模式的材料利用率很高。對于以板材為進料的方式，其進料上主要是根據需要逐層添加板材，然后用獨立的刀具進行摩擦增材制造，在材料利用率上打了很大折扣，而且由于進料板的先前形狀，在成型件形狀上有了限制，所以成型控制性較差。另外，此方式需要夾具對進料板進行固定，給加工過程帶來不便。以粉料添加進料的方式，可隨刀具運動實時添加，具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。
基于多層板材的攪拌摩擦焊
攪拌摩擦增材制造的技術優勢
這三種進料方式的一個共同特點，也是該技術本質上的優勢，就是經過摩擦攪拌過程可以得到性能良好的微觀結構(細晶組織)，而這正是實現良好機械性能的本質。進料通過與攪拌針摩擦生熱，發生塑性軟化，然后再通過兩者的擠壓，實現增材過程。在這樣的過程中，材料并未經歷熔化與凝固而一直保持固態，且過程中的擠壓又起到“鍛造”作用，最終得到的是性能良好的細晶組織。細晶組織具有良好的機械性能和疲勞性能，且能改善材料的延展性，這也是材料提高強度等性能的原因。
Meld Manufacturing采用攪拌摩擦增材制造的部件
此外，由于成形過程中不存在金屬的熔化/凝固過程，材料在成形過程中不會產生與熔化相關的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發生在材料內部也不會受外界影響造成材料氧化等問題，生產過程可以在露天環境中進行，所制造的部件的尺寸顯著增加。
同其他大型金屬增材制造技術一樣，該技術所制造的零件需要通過銑削才能獲得最終成品。
攪拌摩擦增材制造可成型材料和應用
雖然可查詢到的資料多以鋁合金的攪拌摩擦增材制造居多，但Meld Manufacturing已經成功開發出鈦合金、銅合金、不銹鋼以及鎳基合金等主流材料的3D打印工藝。所制造的IN625的疲勞壽命相比原料棒材提高了4倍，并能夠以至少10倍于粉末熔融工藝的速度進行材料沉積。而且，該工藝能夠制造多金屬材料和梯度材料。
Meld Manufacturing攪拌摩擦增材制造的銅合金部件
Meld Manufacturing的攪拌摩擦增材制造技術已經在大型卡車和國防裝甲車輛中獲得應用，該公司被美國陸軍選為遠征技術服務商，使其盡可能靠近戰場進行維修和生產戰斗車輛部件，同時提高整體效率并降低成本。
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