加州理工大学的研究人员开发了一种创新的水凝胶注入增材制造（HIAM）技术，能够精确创建具有定制形状和成分的金属结构。这项技术突破了传统冶金方法的局限，实现了对合金设计的前所未有的控制，使得材料在机械强度和功能性方面具有更高的可调性。通过将多金属打印应用于铜镍合金制造，研究团队展示了如何通过改变化学成分和微观结构，显著提高材料的机械韧性。这项技术有望广泛应用于生物兼容的高强度支架、轻量化航空航天部件等领域。
加州理工大学（Caltech）的研究人员开发了一种技术，可以精确制造定制形状和成分的金属结构。这项技术为科学家提供了前所未有的合金设计控制能力，使得材料的机械性能和功能性能够更加精准地调节。潜在的应用领域包括生物兼容性高、强度大的支架，或者能在恶劣环境中长时间工作的轻量化航空航天部件。
加州理工大学材料科学、力学与医疗工程系的朱莉娅·格里尔（Julia R. Greer）教授表示：“如果你回顾冶金学几百年来的发展，可以发现大多数时候都从原矿开始，然后通过热处理或化学处理将其转化为所需的金属或合金。传统方法生产的金属其机械性能是有限的。”她补充道：“我们展示的技术是可以精确调节金属材料的化学成分和微观结构，显著增强其机械韧性。”
这项研究名为《基于水凝胶注入增材制造（HIAM）技术制备的铜镍二元合金的多尺度微观结构与机械性能表征》，得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。
水凝胶注入增材制造（HIAM）与双金属打印
该方法的细节在《Small》期刊上由第一作者托马斯·T·特兰（Thomas T. Tran，博士生）和共同作者丽贝卡·加利文（Rebecca Gallivan，博士）提出。它基于格里尔实验室之前的水凝胶注入增材制造技术（HIAM）。该技术此前只用于单一金属的打印，但如今已经成功地将多金属打印应用于合金的制造，首次展示了铜镍合金的打印。
这个过程从3D打印一个水凝胶支架开始，通过逐层沉积聚合物树脂。接下来，水凝胶支架被注入金属盐溶液，并经过煅烧过程，去除有机材料，形成金属氧化物。最后，通过还原退火的步骤，将结构加热至氢气气氛中，氧气从材料中释放并形成水蒸气，最终留下固体合金，保持所需的形状和成分。
格里尔教授解释道：“化学成分可以按照任何你想要的方式变化，这是传统冶金方法所无法做到的。”她还提到：“有位同事形容这项工作是将冶金技术带入了21世纪。”
微观结构分析与材料强度提升
研究团队在加州大学欧文分校材料研究所使用透射电子显微镜（TEM）分析了通过HIAM技术制造的合金的内部结构。结果发现，合金中晶体结构非常均匀，晶粒的取向分布也很一致，这些都受到金属氧化物在还原退火过程中转变为金属的影响。
随着温度升高，水蒸气从结构中释放出来，形成孔隙，而这些孔隙及残留的氧化物会限制晶粒的生长。这项研究表明，参与其中的不同类型的氧化物会影响这些3D打印结构中的晶粒发展。
此外，研究发现合金的强度不仅取决于晶粒大小，还与化学成分密切相关。例如，含有12%铜和88%镍的Cu12Ni88合金，其强度几乎是Cu59Ni41合金（含59%铜和41%镍）的四倍。
研究团队还发现，在HIAM过程中形成的纳米级氧化物夹杂物，能够增强材料的强度。透射电子显微镜（TEM）揭示，这些富含金属-氧化物界面的微结构能够通过特殊的制造方式提升材料的硬度，提升幅度可达到四倍。
金属增材制造技术的实际应用
尽管加州理工大学的研究推动了材料控制的前沿，工业界也在加速金属3D打印技术的实际应用。
今年5月，总部位于阿姆斯特丹的MX3D公司宣布其采用电弧增材制造（WAAM）技术的机器人金属3D打印机获得了700万欧元的A轮融资。这项投资将支持其M1金属增材制造系统和按需打印服务的国际化部署。MX3D的M1系统允许制造商在内部生产大规模、高价值的金属零件。该过程通过WAAM技术逐层沉积金属，比传统的铸造和锻造方法减少超过80%的材料浪费。MX3D已经为包括宝马集团、法国阿海珐公司和美国军方等客户提供了系统或服务。
此外，1月，金属3D打印机制造商Eplus3D宣布已经向全球交付超过100台“超米”金属激光熔化（LPBF）3D打印机。超过40台系统，包括EP-M2050、EP-M1550和EP-M1250型号，X、Y、Z轴的每一轴均超过一米。Eplus3D表示，这些销售数据展示了金属增材制造市场上多激光技术日益增长的趋势，并且巩固了该公司在大尺寸、多激光金属3D打印市场中的领导地位。
