共振辅助沉积（RAD）是一种创新的金属3D打印技术，通过高频振动在不需要熔化的情况下，实现金属材料的高效成形与连接。与传统的激光粉末床熔融（LPBF）技术相比，RAD大幅降低了能耗，机器功率仅需100至300瓦特，而传统方法通常需要10到20千瓦。此技术能够在低温下促进金属原子扩散，打印出高密度、高强度的铝合金组件，尤其适用于薄壁高纵横比部件。RAD不仅减少了热梯度和熔池不稳定性，还显著提升了生产效率与能效，是金属3D打印的未来发展方向。
加利福尼亚州的先进制造技术开发公司Reverb Industrial与亚利桑那州立大学合作，展示了一种避免熔化并显著降低功耗的金属3D打印新方法。该研究发布在MDPI期刊上，表明共振辅助沉积（RAD）技术能够以仅需100到300瓦特的机器功率水平制造致密的铝合金组件。相比之下，激光粉末床熔融系统通常在10至20千瓦的功率下运行，处理铝合金时每千克消耗300–500兆焦耳，相当于每立方厘米约1兆焦耳的能量。
RAD技术基于高频振荡应变降低金属的表观屈服应力，并增强界面间的扩散现象。在实际操作中，该系统在沉积过程中施加40千赫的振动，振幅低于数十微米。每一个振荡周期将一段金属线材成型为一个扁平的体素，同时促进原子扩散与相邻材料的结合。这些综合效应使得形状塑造和连接得以在无需加热的情况下完成，从而使团队能够打印出符合形状的铝6061结构。这些组件包括具有高纵横比的薄壁样品，这通常是熔融技术难以完成的任务。早期的研究表明，振荡应变在降低屈服应力方面的效率大约是加热的30倍，而且在实际系统中，由于热传递损失，效率进一步得到放大。
研究人员构建了一个三轴运动平台，其中构建板在X–Y平面上移动，打印头在Z方向上移动。铝6061-O线材（直径0.35毫米，由加利福尼亚精细线材公司提供）通过附加在压电换能器上的空心剪切应变传递工具进行传送。该线材的抗拉强度为140兆帕，延伸率为17.1%。在每次压缩周期中，线材在沉积位置被成形为一个体素，振荡应变降低屈服应力并促进粘结。工具提升后，沿水平方向以1毫米的步距移动，然后重复这一过程。测试了0.6毫米和0.7毫米的轨道重叠，比较了完全填充与不完全重叠的效果。工具路径使用了两个外壁和±45°的填充模式，重叠条件决定了是否存在空隙或完全填充。
显微镜观察揭示了连接机制的工作原理。当纯铝体素沉积在镍上时，亮场图像显示界面附近存在高密度的缺陷，包括堆垛层错。这些缺陷增强了扩散，产生了宽度为80至140纳米的界面区域。计算表明，如果仅由加热引起，扩散到这种规模将需要320至420°C的温度。而在沉积过程中测得的热量仅增加了5至10°C，表明增强的扩散是由振荡应变而非熔化引起的。能量色散谱（EDS）线扫描分析了铝–镍界面的元素浓度梯度，确认了这种缺陷驱动的扩散机制。实验使用了200千伏的加速电压和5纳米的步长，允许对元素扩散进行定量测量。初始接触时破裂的本征氧化层有时被困在边界处，影响了后续的断裂行为。
所使用的打印组件的工具路径策略。图像来源：MDPI。
这些结构的力学性能反映了这些界面特征。使用微型计算机断层扫描对打印零件进行了扫描，显示在足够重叠的情况下，密度达到了馈线材料的99.95%。具有0.7毫米轨道间距的样品显示了空隙，而0.6毫米的样品则实现了几乎完全的合成。对水平和垂直打印的测试样品进行了拉伸测试，测试速度为150毫米/分钟，结果表明，样品的最终强度约为退火馈线线材的75%。研究发现，强度的各向异性较低，但延伸率的各向异性较高。垂直样品表现出沿着界面处的脆性断裂，而水平样品则表现出更为延展性的行为。断裂表面图像显示，在层间区域发生了广泛的塑性变形，但在富含氧化物的区域则发生了脆性分离。表面粗糙度测试显示，顶层的Ra值为10–20微米，而侧壁为15–25微米Ra。垂直表面的鲍尔型轮廓类似于常见于聚合物挤出打印的图案。
能耗数据突出了与传统方法的对比。在体素级别，RAD在成形和连接上每立方毫米需要3.79 × 10⁻⁴焦耳。而激光粉末床熔融通常每立方毫米消耗约100焦耳，两者相差五个数量级。在机器级别，RAD平台的功率需求为100到300瓦特，具体取决于操作条件，即使使用构建板加热进行过程退火也是如此。相比之下，激光和电子束系统的功耗通常达到数十千瓦。传统的熔融技术在多个阶段效率较低，包括电到光的转换、激光能量的吸收以及热量传递到周围材料。由于寄生加热进一步增加了能耗，必须消耗额外的功率以维持激光性能。而在RAD中，机械应变能直接耦合到晶格中，避免了这些低效环节，降低了系统的总需求，效率提高了10到100倍。
Reverb Industrial和亚利桑那州立大学提出了RAD作为增材制造的一个独特路线。通过在不熔化的情况下成形和连接金属线材，该方法避免了常见的问题，如吸收率变化、熔池不稳定性和高热梯度。尽管由于氧化物在层间边界的困陷，沿构建方向的延伸性仍然有限，但该过程展示了高密度、强度和卓越的能效，是金属3D打印未来发展的重要方向。
![[采访]使用recreus的耗材3d打印军用设备](https://www.3dsjs.cn/api/utils/resourcehub?time=1756975405&url=http%3A%2F%2Flocalhost%3A9898%2Fupload%2Fsandsjs%2F2025-07-16%2F1e2846da-2422-3714-91b7-9fb6bb4fefcf.webp&signature=40d8ed763e48dbc6a099fe4bf0568ea6)
