2024 年 6 月 13 日,三菱电机公司、熊本大学镁研究中心 (MRC)、东邦金属株式会社和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 开发了首个采用定向能量沉积 (DED) 方法使用镁合金进行高精度增材制造的线激光金属 3D 打印机。释放以无与伦比的精度和复杂性加工镁合金的潜力,将为制造比铁或铝制成的部件更轻、更坚固的火箭、汽车和飞机部件铺平道路,从而提高燃油效率,降低生产成本。此外,基于线激光金属 3D 打印机的生产工艺将比传统工艺更加节能,产生的温室气体排放更少,提高可持续发展能力。

       自 2022 年 9 月以来,联盟成员一直在 JAXA 创新未来太空运输系统研究与开发计划的框架下进行联合研究(使用镁合金线进行激光线 DED 方法增材制造加工技术的研究),致力于减轻火箭重量,从而大幅削减成本。近年来,由于电动汽车的转向以及商用飞机的需求不断增长等因素,减重的需求也随之增加,因此镁合金在这些领域受到关注。然而,镁合金通常通过压铸加工,因此很难制造具有中空内部的结构。此外,增材制造的主流粉末床熔融(PBF)方法,利用热量选择性地熔化金属粉末,可能会因氧化或粉尘爆炸而导致降解,给安全生产带来问题。

     对此,该财团将三菱电机的金属 3D 打印机与 MRC 开发的高度不易燃的 KUMADAI 耐热镁合金结合起来,采用线激光DED方法,用金属线代替金属粉末作为材料。在测试中,三菱电机采用先进的拉丝技术,使用东邦金属生产的 KUMADAI 耐热镁合金重复了成型工艺,采用镁合金丝作为增材制造材料并通过精确的温度控制来防止燃烧的新技术。根据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)对采用这项新技术生产的增材制造生产样品的评估,估计某些火箭部件比传统铝合金结构的部件轻约20%。

△ 3D 打印镁合金样品

相同的工艺可以广泛应用于其他也需要减轻重量的领域,包括各种运输设备和机器人部件。因此,针对各个工业领域的应用的进一步研究和开发将与三菱电机的工作同时进行,以期在 2029 年左右将线激光 DED 金属 3D 打印机技术商业化。

镁合金丝的增材制造结合了高加工性和高强度的优点。MRC 研究了许多 KUMADAI 耐热镁合金,以找到一种即使是线材形式也具有阻燃性的增材制造材料。TOHO KINZOKU 开发了一种生产任何直径和长度的增材制造线材的技术,并制造了原型线材,经过三菱电机的广泛测试,获得了最佳的线材厚度和拉丝工艺。

高精度增材制造技术采用不易燃的镁合金丝。三菱电机为线激光 DED 金属 3D 打印机开发了一项技术,该技术使用计算机数控 (CNC) 精确控制激光功率和线速度,以保持加工区域恒定温度。这使得宽度为3mm的镁合金能够高精度且不烧焦地加工成任何形状。与压铸不同,不需要模具——消除了更换模具的成本。

镁合金增材制造结构将使得火箭部件更轻。增材制造生产的样品在室温下达到了约 250 兆帕(MPa)的高拉伸强度,在 200 度左右的高温下达到了约 220MPa 的高拉伸强度,优于传统方法。此外,样品耐热且不易燃。镁合金比铝和铁更轻、更坚固,因此在汽车和飞机部件中的使用将有助于提高燃油效率和整体可持续性。与锭加工相比,最大限度地减少材料浪费将有助于提高加工能源效率并节省材料。

● 三菱电机负责使用镁合金的增材制造技术的开发以及增材制造生产样品的材料性能验证;MRC负责增材制造镁合金成分的选择;东邦金属负责镁合金丝制造方法的开发;JAXA负责评估镁合金增材制造生产样品,以估计对火箭减重的潜在影响。

作者 zhiyongz

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