Materials Today：熔丝制造技术3D打印块体非晶合金

【引言】

近年来，基于熔丝制造技术实现热塑性塑料的3D打印，已经逐渐发展成为一项相当成熟的制造手段。相较之下，金属材料的3D打印仍然面临着诸多限制与挑战。以最为常见的金属3D打印技术—粉床熔融为例，这一技术主要利用激光或电子束将金属粉末熔融，并使之沉积成为三维零件。相比于熔丝制造，粉床熔融技术成本高昂，且技术复杂，无疑制约着金属3D打印的推广与发展。从可加工性角度而言，金属与塑料之间如此悬殊的差距，主要是由于常见的金属缺乏良好的热塑性。另一方面，块体非晶材料作为一种特殊的金属合金，却拥有着与塑料相似的热塑性质：将其加热到玻璃化转变温度之上后，其能逐渐软化，因此在较低的压力之下即可发生变形，从而弥合了金属与塑料在可加工性能方面的差距。尽管如此，目前块体非晶的3D打印仍然主要基于传统的粉床熔融技术，能否基于块体非晶特有的热塑性简化其3D打印工艺，成为了一个亟待探讨的课题。

近日，耶鲁大学Jan Schroers教授课题组在Materials Today上发表了题为“3D printing metals like thermoplastics: Fused filament fabrication of metallic glasses”的研究论文。文章利用广泛应用于热塑材料3D打印的熔丝制造技术（Fused Filament fabrication），实现了Zr基大块非晶（Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅）的3D打印。经由3D打印技术得到的非晶部件结构紧实，且仍然保持着无定型态，未观察到晶化现象。与常见的金属3D打印技术相比，利用熔丝制造技术3D打印的块体非晶拥有如下几个显著优点：无需真空或保护气氛环境；免去了激光源或电子束源带来的能源消耗；无需制备非晶粉末或烧结，简化了加工流程；提升了打印速度，达到了10mm³/s。

【图文导读】

图一：金属，非晶与热塑塑料的加工性能

(a)金属，块体非晶与ABS塑料三者的强度与粘度随温度的变化示意图。X轴为温度，左侧Y轴为强度，右侧Y轴为粘度。图中淡蓝色区域为适宜进行熔丝制造的粘度区间。

(b)块体非晶的时间温度转变曲线（TTT）。图中淡蓝色区域代表了块体非晶适宜进行熔丝加工的温度范围。

图二：块体非晶熔丝制造的示意图

(a)块体非晶熔丝制造的示意图

(b)块体非晶熔丝制造的实验平台

(c)送丝机构

(d)挤出喷嘴

(e)底部加热台

(f)电容器组

图三：块体非晶3D打印的实物图

(a)连续打印而成的块体非晶部件

(b)间断打印而成的块体非晶部件

(c)上述两种打印方式能够得到紧实，不含孔洞的部件

(d)图（c）的放大图像

图四：块体非晶部件的宏微观表征

（a）XRD表征

（b）DSC表征

（c）拉伸性能比较

（d）块体非晶的SEM 图像

（e）无焦耳加热的情况下，打印的不同层之间不存在结合力

（f）打印的部件（左）与初始原材料（右）的外观比较

图五：挤出力随粘度变化示意图

随着块体非晶的初始尺寸增加，在同一粘度，所需挤出力下降

【总结】

这项研究报道了基于熔丝制造技术实现块体非晶的3D打印。这项技术成功的关键在于：块体非晶本身所具有的热塑性能，以及层与层之间的冶金结合。拉伸试验结果显示，利用这项技术加工得到的块体非晶部件，其强度超过了以往3D打印块体非晶的最高纪录，并足以跻身于金属3D打印所能达到的最高强度之列。除此之外，熔丝制造技术加工时无需真空或惰性气体环境，同时相对较低的加工温度也避免了非晶重熔而可能引起的再结晶及热收缩。该研究表明，熔丝制造技术是实现块体非晶3D打印的有效手段，并且有望推动块体非晶3D打印技术的快速发展。

本文由胡仲略供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu