【引言】

近年來，基于熔絲制造技術實現(xiàn)熱塑性塑料的3D打印，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一項相當成熟的制造手段。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—粉床熔融為例，這一技術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，粉床熔融技術成本高昂，且技術復雜，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，能否基于塊體非晶特有的熱塑性簡化其3D打印工藝，成為了一個亟待探討的課題。

近日，耶魯大學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。文章利用廣泛應用于熱塑材料3D打印的熔絲制造技術（Fused Filament fabrication），實現(xiàn)了Zr基大塊非晶（Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅）的3D打印。經(jīng)由3D打印技術得到的非晶部件結(jié)構緊實，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打印技術相比，利用熔絲制造技術3D打印的塊體非晶擁有如下幾個顯著優(yōu)點：無需真空或保護氣氛環(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)，簡化了加工流程；提升了打印速度，達到了10mm³/s。

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軸為強度，右側(cè)Y軸為粘度。圖中淡藍色區(qū)域為適宜進行熔絲制造的粘度區(qū)間。

（b）塊體非晶的時間溫度轉(zhuǎn)變曲線（TTT）。圖中淡藍色區(qū)域代表了塊體非晶適宜進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驗平臺

（c）送絲機構

（d）擠出噴嘴

（e）底部加熱臺

（f）電容器組

圖三：塊體非晶3D打印的實物圖

（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，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)】

這項研究報道了基于熔絲制造技術實現(xiàn)塊體非晶的3D打印。這項技術成功的關鍵在于：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。拉伸試驗結(jié)果顯示，利用這項技術加工得到的塊體非晶部件，其強度超過了以往3D打印塊體非晶的最高紀錄，并足以躋身于金屬3D打印所能達到的最高強度之列。除此之外，熔絲制造技術加工時無需真空或惰性氣體環(huán)境，同時相對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，熔絲制造技術是實現(xiàn)塊體非晶3D打印的有效手段，并且有望推動塊體非晶3D打印技術的快速發(fā)展。