【引言】
近年來，基于熔絲制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱塑性塑料的3D打印，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一項(xiàng)相當(dāng)成熟的制造手段。相較之下，金屬材料的3D打印仍然面臨著諸多限制與挑戰(zhàn)。以最為常見的金屬3D打印技術(shù)—粉床熔融為例，這一技術(shù)主要利用激光或電子束將金屬粉末熔融，并使之沉積成為三維零件。相比于熔絲制造，粉床熔融技術(shù)成本高昂，且技術(shù)復(fù)雜，無疑制約著金屬3D打印的推廣與發(fā)展。從可加工性角度而言，金屬與塑料之間如此懸殊的差距，主要是由于常見的金屬缺乏良好的熱塑性。另一方面，塊體非晶材料作為一種特殊的金屬合金，卻擁有著與塑料相似的熱塑性質(zhì)：將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上后，其能逐漸軟化，因此在較低的壓力之下即可發(fā)生變形，從而彌合了金屬與塑料在可加工性能方面的差距。盡管如此，目前塊體非晶的3D打印仍然主要基于傳統(tǒng)的粉床熔融技術(shù)，能否基于塊體非晶特有的熱塑性簡(jiǎn)化其3D打印工藝，成為了一個(gè)亟待探討的課題。
近日，耶魯大學(xué)Jan?Schroers教授課題組在Materials?Today上發(fā)表了題為“3D printing metals like thermoplastics: Fused filament fabrication of metallic glasses”的研究論文。文章利用廣泛應(yīng)用于熱塑材料3D打印的熔絲制造技術(shù)（Fused?Filament?fabrication），實(shí)現(xiàn)了Zr基大塊非晶（Zr44Ti11Cu10Ni10Be25）的3D打印。經(jīng)由3D打印技術(shù)得到的非晶部件結(jié)構(gòu)緊實(shí)，且仍然保持著無定型態(tài)，未觀察到晶化現(xiàn)象。與常見的金屬3D打印技術(shù)相比，利用熔絲制造技術(shù)3D打印的塊體非晶擁有如下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：無需真空或保護(hù)氣氛環(huán)境；免去了激光源或電子束源帶來的能源消耗；無需制備非晶粉末或燒結(jié)，簡(jiǎn)化了加工流程；提升了打印速度，達(dá)到了10mm3/s。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一：金屬，非晶與熱塑塑料的加工性能
(a)金屬，塊體非晶與ABS塑料三者的強(qiáng)度與粘度隨溫度的變化示意圖。X軸為溫度，左側(cè)Y軸為強(qiáng)度，右側(cè)Y軸為粘度。圖中淡藍(lán)色區(qū)域?yàn)檫m宜進(jìn)行熔絲制造的粘度區(qū)間。
(b)塊體非晶的時(shí)間溫度轉(zhuǎn)變曲線（TTT）。圖中淡藍(lán)色區(qū)域代表了塊體非晶適宜進(jìn)行熔絲加工的溫度范圍。
圖二：塊體非晶熔絲制造的示意圖
(a)塊體非晶熔絲制造的示意圖
(b)塊體非晶熔絲制造的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
(c)送絲機(jī)構(gòu)
(d)擠出噴嘴
(e)底部加熱臺(tái)
(f)電容器組
圖三：塊體非晶3D打印的實(shí)物圖
(a)連續(xù)打印而成的塊體非晶部件
(b)間斷打印而成的塊體非晶部件
(c)上述兩種打印方式能夠得到緊實(shí)，不含孔洞的部件
(d)圖（c）的放大圖像
圖四：塊體非晶部件的宏微觀表征
（a）XRD表征
（b）DSC表征
（c）拉伸性能比較
（d）塊體非晶的SEM 圖像
（e）無焦耳加熱的情況下，打印的不同層之間不存在結(jié)合力
（f）打印的部件（左）與初始原材料（右）的外觀比較
圖五：擠出力隨粘度變化示意圖
隨著塊體非晶的初始尺寸增加，在同一粘度，所需擠出力下降
【總結(jié)】
這項(xiàng)研究報(bào)道了基于熔絲制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)塊體非晶的3D打印。這項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵在于：塊體非晶本身所具有的熱塑性能，以及層與層之間的冶金結(jié)合。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，利用這項(xiàng)技術(shù)加工得到的塊體非晶部件，其強(qiáng)度超過了以往3D打印塊體非晶的最高紀(jì)錄，并足以躋身于金屬3D打印所能達(dá)到的最高強(qiáng)度之列。除此之外，熔絲制造技術(shù)加工時(shí)無需真空或惰性氣體環(huán)境，同時(shí)相對(duì)較低的加工溫度也避免了非晶重熔而可能引起的再結(jié)晶及熱收縮。該研究表明，熔絲制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)塊體非晶3D打印的有效手段，并且有望推動(dòng)塊體非晶3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。
化學(xué)慧定制合成事業(yè)部摘錄
