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镁科研

日本财团开发出首个定向能量沉积镁合金高精度增材制造技术

发布时间：2024-06-17 作者：综合管理部

定向能量沉积技术由三菱电机株式会社、熊本大学镁研究中心（MRC）、东邦金属株式会社和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）共同开发。



三菱电机公司、熊本大学镁研究中心 (MRC)、东邦金属株式会社和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 开发出了首个通过定向能量沉积 (DED) 法在线激光金属 3D 打印机中使用镁合金的高精度增材制造（AM）技术。释放以无与伦比的精度和复杂性加工镁合金的潜力将为生产比铁或铝制成的部件更轻但更坚固的火箭、汽车和飞机（以及更多）部件铺平道路，从而提高燃油效率，对于火箭而言，还能降低生产成本。此外，基于线激光金属 3D 打印机的设想生产工艺将比传统工艺更节能，产生的温室气体排放更少，有望提供低影响的解决方案以实现更高的可持续性。


自 2022 年 9 月起，联盟成员一直在 JAXA 创新未来太空运输系统研究与开发计划的框架下开展联合研究（“使用镁合金丝的激光丝 DED 方法 AM 加工技术研究”），致力于减轻火箭重量，从而大幅削减成本。除了火箭之外，近年来，由于转向电动汽车和商用飞机需求不断增长等因素，减轻重量的需求也在增加，因此镁合金在许多领域都引起了关注。然而，镁合金通常通过压铸加工，因此很难制造出内部中空的结构。此外，AM 的主流粉末床熔合 (PBF) 方法利用热量选择性熔化金属粉末，可能导致氧化或粉尘爆炸导致降解，对安全制造造成问题。


对此，该联盟将三菱电机的金属 3D 打印机与 MRC 开发的 KUMADAI 耐热镁合金相结合，前者采用线激光 DED 方法，以金属线代替金属粉末作为材料。在测试中，三菱电机使用先进的拉丝技术，对东邦金属生产的 KUMADAI 耐热镁合金重复了成型过程。结果是一项新技术，它使用镁合金线作为 AM 材料，并精确控制温度以防止燃烧。


根据 JAXA 对采用该新技术生产的 AM 生产样品的评估，估计某些火箭部件的重量可比传统铝合金结构部件减轻约 20％。此外，人们相信，同样的工艺可以广泛应用于其他需要减轻重量的领域，包括各种运输设备和机器人部件。因此，三菱电机将在 2029 年左右将该技术在线激光 DED 金属 3D 打印机中商业化的同时，针对各个工业领域的应用进行进一步的研究和开发。


3D打印镁合金样品


特征

镁合金线材的 AM 结合了高可加工性和强度。MRC 研究了许多 KUMADAI 耐热镁合金，以找到一种即使在线材形式下也具有阻燃性的 AM 成分。TOHO KINZOKU 建立了一种生产任何直径和长度的 AM 线材的技术，并制造了原型线材，这些原型线材经过三菱电机的广泛测试，最终确定了最佳的线材厚度和拉丝工艺。


高精度 AM 技术采用不易燃的镁合金丝。三菱电机为其线激光 DED 金属 3D 打印机开发了一项技术，该技术使用计算机数控 (CNC) 精确控制激光功率和线速度，使加工区域保持恒定温度。这使得宽度为 3 毫米的镁合金能够高精度地加工成任何形状，而不会燃烧。与压铸不同，不需要模具 - 消除了更换模具的成本。


镁合金增材制造结构将使火箭部件更轻。增材制造样品在室温下的抗拉强度约为 250 兆帕 (MPa)，在 200 度左右的高温下约为 220MPa，与传统方法相当或更好。此外，样品还具有耐热性和不易燃性。在评估样品作为火箭材料的适用性与传统材料相比时，JAXA 发现火箭壳体结构和气动控制翼的重量可显著减轻高达 20%。


镁合金比铝和铁更轻、更坚固，因此将其用于汽车和飞机部件将有助于提高燃油效率和整体可持续性。与用锭材加工相比，减少材料浪费将有助于提高加工过程中的能源效率并节省材料。该技术消除了六氟化硫 (SF6) 的使用，六氟化硫是一种具有高全球变暖潜能值的温室气体，传统上用作镁合金铸造的保护气，有助于显著减少温室气体排放。


联合研究的目的

此次联合研究旨在将一种强度优于现有合金丝的金属增材制造用新型合金丝材料商业化，通过减轻推进剂箱等大型结构的重量，大幅降低火箭结构的成本。适用于金属增材制造的高强度丝不仅可以应用于太空运输，还可以应用于需要减轻重量的各种运输设备和机器人部件以及其他地面结构。


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