超声振动辅助金属粉末悬浮液挤出增材制造技术研究报告

作者及发表信息

本研究由日本明治大学的Toshitake Tateno（通讯作者）、东京国立工业高等专门学校的Akira Kakuta与Hayate Ogo，以及明治大学的Takaya Kimoto共同完成，发表于International Journal of Automation Technology（《国际自动化技术杂志》）2018年第12卷第5期。

学术背景

研究领域：本研究属于增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于材料挤出（Material Extrusion, ME）技术，特别针对金属粉末悬浮液的高精度成型难题。

研究动机：当前金属增材制造主要依赖高成本的粉末床熔融（Powder Bed Fusion）或定向能量沉积（Direct Energy Deposition）技术。本研究提出一种低成本替代方案，通过超声振动辅助挤出高浓度金属粉末悬浮液，实现复杂金属零件的制造，同时探索为塑料基材添加导电性、导热性或机械强度等功能的可能性。

技术挑战：金属填料密度过高会导致挤出不稳定，而传统ME技术难以解决高粘度材料的成型问题。本研究利用触变性（Thixotropy）材料的特性（振动时粘度降低，静止时恢复），结合超声振动实现稳定挤出。

研究流程与方法

1. 实验装置开发

• 核心设备：
  
  • 超声振动系统：采用Qsonica Q500高功率均质器（20 kHz频率，最大功率500 W），通过水介质将振动传递至注射器内材料。
    
  • 挤出控制系统：气压驱动（Musashi Engineering ML-808GX分配器），避免机械故障风险。
    
  • 运动平台：步进电机驱动的三维定位平台（Arduino Uno控制）。
    
• 材料配方：
  
  • 基础材料：水溶性聚合物（Aerosil 200）作为触变基质，混合不锈钢粉末（Sandvik 316L）。
    
  • 烧结应用材料：黏土（Yaco Oven Clay）与钢粉复合，低温（900°C）烧结。
    

2. 实验设计

研究分为三类实验，验证振动辅助挤出的效果：

(1) 单向行程操作（One-way Trip Operation）

• 目的：观察多层沉积的基本行为。
  
• 参数：锥形喷嘴（直径0.4 mm），10次重复挤出（每次前进10 mm，抬升1.5 mm）。
  
• 结果：无振动时无挤出；振动下挤出成功，但终点处材料堆积（图9），下层因上层重量压缩变形。
  

(2) 往返行程操作（Round Trip Operation）

• 目的：评估不同压力和振动条件下的尺寸精度。
  
• 参数：直喷嘴（直径0.52 mm），压力50–200 kPa。
  
• 关键发现（表2）：
  
  • 振动使挤出量增加（100 kPa时宽度从1.85 mm增至2.00 mm），标准差降低（稳定性提升）。
    
  • 高黏度材料（2.0 g聚合物）在50 kPa压力下无振动时无法挤出，振动辅助下实现稳定输出。
    

(3) 三维成型操作（3D Operation）

• 目标：验证复杂形状制造能力。
  
• 案例：立方体与方形圆柱体（图11）。
  
• 问题：方形圆柱体顶部因转角处材料堆积变形，而实心立方体形状保持更好。
  

3. 烧结应用验证

• 材料改进：黏土替代聚合物，提升烧结可行性。
  
• 烧结工艺：900°C烘烤3小时，冷却2小时。
  
• 性能测试：烧结体表面硬度约50 kN/mm²（为不锈钢的75%），满足散热片等应用需求（图15）。
  

主要结果与逻辑链条

1. 振动效应验证：超声振动显著降低材料表观粘度，使高浓度金属粉末（45 g钢粉/1.5 g聚合物）在低压下稳定挤出（图3，图10）。
   
2. 多层成型可行性：通过往返操作证明振动可抵消高黏度材料的挤出波动（标准偏差降低30%）。
   
3. 烧结路径：黏土-钢粉复合材料的成功烧结（收缩率<10%）为低成本近净形金属零件制造提供新方案。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出超声振动激活触变性的新机制，解决了高粘度金属悬浮液挤出难题。
- 扩展了材料挤出型AM的金属应用范围，填补了粉末床熔融与定向能量沉积的技术空白。

应用价值：
- 低成本制造导热/导电功能件（如散热片）。
- 黏土基复合材料的烧结工艺为传统陶瓷-金属复合技术提供新思路。

研究亮点

1. 方法创新：首次将超声振动与触变性材料结合应用于金属增材制造，开发了原型系统（图1）。
   
2. 材料突破：钢粉浓度高达93.3%（45 g钢粉/1.5 g聚合物）仍可实现稳定挤出。
   
3. 跨学科融合：结合声学（振动降粘）、材料科学（触变性调控）与机械工程（挤出工艺优化）。
   

其他发现

• 形状保真度：实心结构的成型精度优于中空结构（图11），需进一步优化路径规划算法。
  
• 黏土分离问题：钢粉浓度>15 g时易沉积，需改进悬浮稳定性（图13）。
  

本研究为金属增材制造的平民化提供了重要技术路径，未来可拓展至多材料复合打印或微纳尺度制造领域。