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應用案例cases

碳纖維3D打印機結合金屬粉末實現高強度3D打印

隨著清潔能源、航空航天和國防等領域對大型金屬部件需求的不斷增長，以及對于材料性能要求的日益提升，美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 正引領一場制造技術的革新。通過巧妙地結合粉末冶金熱等靜壓 (PM-HIP) 和增材制造 (AM) 技術，尤其是融入了碳纖維3D打印的先進理念，ORNL 提供了一種高精度且靈活的替代方案，以應對傳統鑄造和鍛造方法的局限性。

由于傳統的鑄造和鍛造能力大多已轉移至海外，美國的供應鏈在供應重量超過1萬磅的復雜、高性能部件時面臨嚴峻挑戰。ORNL 的研究人員深入探索了 PM-HIP 技術，并創新性地將3D打印技術（包括碳纖維增強材料的打印）融入其中，以增強工藝控制和實現前所未有的復雜幾何結構設計。這一融合過程不僅利用了電弧增材制造（WAAM）和混合增材-減材方法來制造預成型模具（即“罐體”），還巧妙地填充了金屬粉末與碳纖維復合材料。隨后，在熱等靜壓機（HIP）中，這些密封的模具經歷了精密的加熱和加壓循環。

與傳統的金屬成形方法不同，PM-HIP 的固態結合工藝無需熔化即可將金屬粉末與碳纖維材料固結成致密、復雜的幾何形狀，從而實現了更嚴格的公差控制和孔隙率的顯著降低。這一方法不僅極大地提升了設計的靈活性，還為多材料（特別是金屬與碳纖維復合材料）的構建開辟了新途徑，這對于高性能要求嚴格的行業應用而言至關重要。

為了克服金屬粉末在固結過程中高達30%的體積收縮這一技術難題，ORNL 的研究團隊開發了先進的預測模型。計算固體力學領域的高級研究科學家 Jason Mayeur 領導的團隊，通過模擬不同幾何形狀下的收縮行為，為初始模具設計提供了精確的迭代調整指導，確保了最終部件的精確規格。

與此同時，冶金學家 Soumya Nag 在 PM-HIP 工藝的實驗研究方面也取得了顯著進展。他專注于基于增材制造的膠囊制作和最終部件質量評估，特別是在碳纖維復合材料與金屬粉末的結合方面進行了深入研究。Nag 的工作不僅測試了金屬粉末的機械性能，還確保了材料在 HIP 工藝的苛刻條件下能夠可靠運行。

“通過將增材制造（包括碳纖維3D打印）的設計靈活性與 PM-HIP 的可靠性相結合，我們可以生產針對能源和國防應用的大型、高性能定制部件。” Nag 說道。計算預測與實證測試的合作，使得 ORNL 能夠不斷突破 PM-HIP 技術的可能性界限，確保其滿足關鍵基礎設施所需的嚴格標準。

在國內生產高完整性金屬部件的能力，特別是結合碳纖維3D打印技術的 PM-HIP 部件，有助于美國減少對外國供應商的依賴，增強供應鏈彈性。在核能、水力發電和航空航天等領域，PM-HIP 提供了一種制造大型復雜部件（如壓力容器、葉輪等）的新方法，并帶來了改進的材料性能，如更高的韌性、抗熱疲勞性以及碳纖維帶來的輕量化優勢。