使用液態金屬的快速3D列印技術，可以在僅幾分鐘內製造出家具大小的鋁製零件

麻省理工學院的研究人員開發了一種新的3D列印技術，可以使用液態金屬快速列印，幾分鐘內就能製作出像如桌腿和椅架等傢俱大小的鋁制零件。

他們稱這種技術為液態金屬列印 (LMP)，其原理是 將熔融的鋁沿著預定路徑沉積到一層細小的玻璃珠床上。鋁很快凝固成3D結構。

研究人員表示，液態金屬列印（LMP）的速度至少比可比的金屬增材製造工藝快 10 倍，並且加熱和熔化金屬的過程比其他一些方法更有效。

這項技術為了速度和 規模 而犧牲了解析度。 雖然它可以列印比使用較慢的增材技術通常製作的更大的組件，而且成本更低，但它無法達到高解析度。

例如，使用LMP製造的零件適用於建築、建設和工業設計中的一些應用，其中大型結構的元件通常不需要極其精細的細節。它還可以有效地用於快速原型製作，使用回收或廢金屬。

在最近的一項研究中，研究人員展示了使用LMP列印鋁製框架和桌椅零件的過程，這些零件足夠堅固，可以承受列印後的機械加工。他們展示了如何將使用LMP製造的組件與高解析度過程和其他材料結合，創造出實用的家具。

史凱拉·堤比茲（Skylar Tibbits）是這篇介紹 LMP 論文的資深作者，他同時也是建築系副教授和自組裝實驗室的聯合主任，他說：「這是一種與我們以往思考金屬製造方式完全不同的方向，它有一些巨大的優勢，也有一些缺點。但我們大多數建築環境——周圍的桌子、椅子和建築——並不需要極高的解析度。速度、規模以及可重複性和能源消耗都是所有重要指標。」

合著者包括論文第一作者 Zain Karsan SM ’23，他現在是蘇黎世聯邦理工學院的博士生；以及 Kimball Kaiser SM ’22 和 Jared Laucks，一位研究科學家和實驗室聯合主任。該研究在電腦輔助建築設計協會會議上展示，並最近發表於該協會的會議錄中。 

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顯著的速度提升

一種在建築和建築中常見的金屬列印方法，稱為 電弧增材製造 (WAAM) ， 能夠生產大型、低解析度的結構，但這些結構很容易開裂和變形， 因為在列印過程中某些部分必須重新熔化。

另一方面，液態金屬列印（LMP）在整個過程中保持材料熔融，避免了重新熔化引起的一些結構問題。

借鑒該團隊之前關於快速液體橡膠印刷的工作，研究人員建造了一台可以熔化鋁、保存熔融金屬並通過噴嘴高速沉積金屬的機器。大型零件可以在短短幾秒鐘內列印出來，然後熔融鋁會在幾分鐘內冷卻。

「我們的工藝速度非常快，但也很難控制。這有點像打開水龍頭。你有大量需要熔化的材料，這需要一些時間，但一旦熔化，就像打開水龍頭一樣。這使我們能夠非常快速地列印這些幾何圖形，」Karsan 解釋說。

團隊選擇了鋁，因為它在建築中常用，且可廉價高效地回收。

Karsan補充說，麵包大小的鋁塊被放入電爐中，「基本上就像一個放大版的烤麵包機」。爐子內部的金屬線圈將金屬加熱到 700 攝氏度，略高於鋁的 660 度熔點。

高溫熔融的鋁被放置在石墨坩堝中，然後透過重力注入到列印床上，沿著預設路徑流經陶瓷噴嘴。研究人員發現，熔融鋁的量越大，印表機的速度就越快。

「熔融的鋁幾乎會摧毀它路徑上的所有東西。我們起初使用不銹鋼噴嘴，然後轉到鈦噴嘴，最後使用了陶瓷。但即使是陶瓷噴嘴也會堵塞，因為噴嘴尖端的加熱並不總是完全均勻，」Karsan說。

透過將熔融材料直接注入顆粒物質中，研究人員無需列印支撐物即可支撐逐漸成形的鋁結構。

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完善製作工藝

研究人員嘗試了多種填充列印床的材料，包括石墨粉和鹽，最終選擇了 100 微米的玻璃珠。這些微小的玻璃珠可以承受熔融鋁的極高溫度，充當中性的懸浮介質，使金屬能夠快速冷卻。

「玻璃珠非常細膩，摸起來就像絲綢一樣。粉末非常細小，幾乎不會改變印刷物體的表面特性，」堤比茲說。

坩堝中熔融材料的數量、列印床的深度以及噴嘴的大小和形狀對最終物件的幾何形狀影響最大。

例如，由於噴嘴分配的鋁量隨著坩堝清空而逐漸減少，因此直徑更大的物件部分會首先列印。改變噴嘴的深度會改變金屬結構的厚度。

為了輔助 LMP 過程，研究人員開發了一個數值模型，用於估計在給定時間內將有多少材料沉積到列印床上。

由於噴嘴會擠入玻璃珠粉末中，研究人員無法觀察熔融鋁的沉積過程，因此他們需要一種方法來模擬列印過程中特定時刻應該發生的情況。 堤比茲解釋道。

他們使用LMP迅速製造了具有不同厚度的鋁框架，這些框架足夠堅固，能夠承受銑削和鑽孔等機械加工過程。他們展示了LMP與這些後處理技術的結合，製作了由低解析度、快速列印的鋁零件和其他組件（如木製零件）組成的椅子和桌子。

展望未來，研究人員希望不斷改進這台機器，使其能夠實現噴嘴中的一致加熱，以防止材料黏附，並且更好地控制熔融材料的流動。但更大的噴嘴直徑可能導致列印不規則，因此仍有技術挑戰需要克服。

「 如果我們能製造出這樣一台機器，讓人們可以用它熔化回收鋁並列印零件，那將徹底改變金屬製造業。 目前，它還不夠可靠，但這是我們的目標，」堤比茲說。

「在 Emeco，我們來自一個非常模擬化的製造世界，因此看到液態金屬列印能夠創造具有細微幾何形狀且具有完全結構部件潛力的作品真的令人信服，「傢俱公司 Emeco 的業務發展負責人 Jaye Buchbinder 說，他沒有參與這項工作。「液態金屬列印在能夠以快速周轉時間生產定制幾何形狀的金屬部件方面真正走在前列，這是其他列印或成型技術通常無法做到的。這項技術肯定有潛力徹底改變當前金屬列印和金屬成型的方式。」

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