三菱電機(jī)公司、熊本大學(xué)鎂研究中心 (MRC)、東邦金屬株式會(huì)社和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA) 開發(fā)了首個(gè)采用定向能量沉積 (DED) 方法使用鎂合金進(jìn)行高精度增材制造的線激光金屬 3D 打印機(jī)。釋放以無與倫比的精度和復(fù)雜性加工鎂合金的潛力，將為制造比鐵或鋁制成的部件更輕、更堅(jiān)固的火箭、汽車和飛機(jī)部件鋪平道路，從而提高燃油效率，降低生產(chǎn)成本。此外，基于線激光金屬 3D 打印機(jī)的生產(chǎn)工藝將比傳統(tǒng)工藝更加節(jié)能，產(chǎn)生的溫室氣體排放更少，提高可持續(xù)發(fā)展能力。
自 2022 年 9 月以來，聯(lián)盟成員一直在 JAXA 創(chuàng)新未來太空運(yùn)輸系統(tǒng)研究與開發(fā)計(jì)劃的框架下進(jìn)行聯(lián)合研究（使用鎂合金線進(jìn)行激光線 DED 方法增材制造加工技術(shù)的研究），致力于減輕火箭重量，從而大幅削減成本。近年來，由于電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向以及商用飛機(jī)的需求不斷增長等因素，減重的需求也隨之增加，因此鎂合金在這些領(lǐng)域受到關(guān)注。然而，鎂合金通常通過壓鑄加工，因此很難制造具有中空內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。此外，增材制造的主流粉末床熔融（PBF）方法，利用熱量選擇性地熔化金屬粉末，可能會(huì)因氧化或粉塵爆炸而導(dǎo)致降解，給安全生產(chǎn)帶來問題。
對(duì)此，該財(cái)團(tuán)將三菱電機(jī)的金屬 3D 打印機(jī)與 MRC 開發(fā)的高度不易燃的 KUMADAI 耐熱鎂合金結(jié)合起來，采用線激光DED方法，用金屬線代替金屬粉末作為材料。在測試中，三菱電機(jī)采用先進(jìn)的拉絲技術(shù)，使用東邦金屬生產(chǎn)的 KUMADAI 耐熱鎂合金重復(fù)了成型工藝，采用鎂合金絲作為增材制造材料并通過精確的溫度控制來防止燃燒的新技術(shù)。根據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）對(duì)采用這項(xiàng)新技術(shù)生產(chǎn)的增材制造生產(chǎn)樣品的評(píng)估，估計(jì)某些火箭部件比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)的部件輕約20%。
△ 3D 打印鎂合金樣品
相同的工藝可以廣泛應(yīng)用于其他也需要減輕重量的領(lǐng)域，包括各種運(yùn)輸設(shè)備和機(jī)器人部件。因此，針對(duì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的進(jìn)一步研究和開發(fā)將與三菱電機(jī)的工作同時(shí)進(jìn)行，以期在 2029 年左右將線激光 DED 金屬 3D 打印機(jī)技術(shù)商業(yè)化。
鎂合金絲的增材制造結(jié)合了高加工性和高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。MRC 研究了許多 KUMADAI 耐熱鎂合金，以找到一種即使是線材形式也具有阻燃性的增材制造材料。TOHO KINZOKU 開發(fā)了一種生產(chǎn)任何直徑和長度的增材制造線材的技術(shù)，并制造了原型線材，經(jīng)過三菱電機(jī)的廣泛測試，獲得了最佳的線材厚度和拉絲工藝。
高精度增材制造技術(shù)采用不易燃的鎂合金絲。三菱電機(jī)為線激光 DED 金屬 3D 打印機(jī)開發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)使用計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 精確控制激光功率和線速度，以保持加工區(qū)域恒定溫度。這使得寬度為3mm的鎂合金能夠高精度且不燒焦地加工成任何形狀。與壓鑄不同，不需要模具——消除了更換模具的成本。
鎂合金增材制造結(jié)構(gòu)將使得火箭部件更輕。增材制造生產(chǎn)的樣品在室溫下達(dá)到了約 250 兆帕（MPa）的高拉伸強(qiáng)度，在 200 度左右的高溫下達(dá)到了約 220MPa 的高拉伸強(qiáng)度，優(yōu)于傳統(tǒng)方法。此外，樣品耐熱且不易燃。鎂合金比鋁和鐵更輕、更堅(jiān)固，因此在汽車和飛機(jī)部件中的使用將有助于提高燃油效率和整體可持續(xù)性。與錠加工相比，最大限度地減少材料浪費(fèi)將有助于提高加工能源效率并節(jié)省材料。
● 三菱電機(jī)負(fù)責(zé)使用鎂合金的增材制造技術(shù)的開發(fā)以及增材制造生產(chǎn)樣品的材料性能驗(yàn)證；MRC負(fù)責(zé)增材制造鎂合金成分的選擇；東邦金屬負(fù)責(zé)鎂合金絲制造方法的開發(fā)；JAXA負(fù)責(zé)評(píng)估鎂合金增材制造生產(chǎn)樣品，以估計(jì)對(duì)火箭減重的潛在影響。
