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碳纖維3D打印機(jī)結(jié)合金屬粉末實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度3D打印

隨著清潔能源、航空航天和國防等領(lǐng)域?qū)Υ笮徒饘俨考枨蟮牟粩嘣鲩L，以及對于材料性能要求的日益提升，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 正引領(lǐng)一場制造技術(shù)的革新。通過巧妙地結(jié)合粉末冶金熱等靜壓 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技術(shù)，尤其是融入了碳纖維3D打印的先進(jìn)理念，ORNL 提供了一種高精度且靈活的替代方案，以應(yīng)對傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法的局限性。

由于傳統(tǒng)的鑄造和鍛造能力大多已轉(zhuǎn)移至海外，美國的供應(yīng)鏈在供應(yīng)重量超過1萬磅的復(fù)雜、高性能部件時(shí)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。ORNL 的研究人員深入探索了 PM-HIP 技術(shù)，并創(chuàng)新性地將3D打印技術(shù)（包括碳纖維增強(qiáng)材料的打印）融入其中，以增強(qiáng)工藝控制和實(shí)現(xiàn)前所未有的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一融合過程不僅利用了電弧增材制造（WAAM）和混合增材-減材方法來制造預(yù)成型模具（即“罐體”），還巧妙地填充了金屬粉末與碳纖維復(fù)合材料。隨后，在熱等靜壓機(jī)（HIP）中，這些密封的模具經(jīng)歷了精密的加熱和加壓循環(huán)。

與傳統(tǒng)的金屬成形方法不同，PM-HIP 的固態(tài)結(jié)合工藝無需熔化即可將金屬粉末與碳纖維材料固結(jié)成致密、復(fù)雜的幾何形狀，從而實(shí)現(xiàn)了更嚴(yán)格的公差控制和孔隙率的顯著降低。這一方法不僅極大地提升了設(shè)計(jì)的靈活性，還為多材料（特別是金屬與碳纖維復(fù)合材料）的構(gòu)建開辟了新途徑，這對于高性能要求嚴(yán)格的行業(yè)應(yīng)用而言至關(guān)重要。

為了克服金屬粉末在固結(jié)過程中高達(dá)30%的體積收縮這一技術(shù)難題，ORNL 的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了先進(jìn)的預(yù)測模型。計(jì)算固體力學(xué)領(lǐng)域的高級研究科學(xué)家 Jason Mayeur 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，通過模擬不同幾何形狀下的收縮行為，為初始模具設(shè)計(jì)提供了精確的迭代調(diào)整指導(dǎo)，確保了最終部件的精確規(guī)格。

與此同時(shí)，冶金學(xué)家 Soumya Nag 在 PM-HIP 工藝的實(shí)驗(yàn)研究方面也取得了顯著進(jìn)展。他專注于基于增材制造的膠囊制作和最終部件質(zhì)量評估，特別是在碳纖維復(fù)合材料與金屬粉末的結(jié)合方面進(jìn)行了深入研究。Nag 的工作不僅測試了金屬粉末的機(jī)械性能，還確保了材料在 HIP 工藝的苛刻條件下能夠可靠運(yùn)行。

“通過將增材制造（包括碳纖維3D打印）的設(shè)計(jì)靈活性與 PM-HIP 的可靠性相結(jié)合，我們可以生產(chǎn)針對能源和國防應(yīng)用的大型、高性能定制部件。” Nag 說道。計(jì)算預(yù)測與實(shí)證測試的合作，使得 ORNL 能夠不斷突破 PM-HIP 技術(shù)的可能性界限，確保其滿足關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

在國內(nèi)生產(chǎn)高完整性金屬部件的能力，特別是結(jié)合碳纖維3D打印技術(shù)的 PM-HIP 部件，有助于美國減少對外國供應(yīng)商的依賴，增強(qiáng)供應(yīng)鏈彈性。在核能、水力發(fā)電和航空航天等領(lǐng)域，PM-HIP 提供了一種制造大型復(fù)雜部件（如壓力容器、葉輪等）的新方法，并帶來了改進(jìn)的材料性能，如更高的韌性、抗熱疲勞性以及碳纖維帶來的輕量化優(yōu)勢。

此外，ORNL 的這一進(jìn)展與美國能源部的脫碳重點(diǎn)高度契合。PM-HIP 工藝不僅使高性能材料在能源生產(chǎn)和輸配基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用成為可能，還支持了向更高效、排放更低的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。在本地生產(chǎn)此類高性能部件還有助于減少與海外運(yùn)輸和冗長供應(yīng)鏈相關(guān)的碳足跡。