革命性的微波技术提高了工业组件 3D 打印的耐用性

安德鲁·科塞利

3D 打印可以改变我们制造喷气发动机和发电厂零件的方式，但该过程会留下微小的孔，导致材料破碎。

发表于国际极限制造杂志   ，大连理工大学牛芳勇教授的团队可能通过做一些非常规的事情解决了这个问题：他们添加了微波炉。

为了制造能够承受极端工业高温的组件，工程师们依靠多相氧化物陶瓷，特别是氧化铝、氧化钇稳定的氧化锆和钇铝石榴石的混合物。传统金属在这些条件下熔化，但将这些耐热陶瓷成型为复杂的零件非常困难且耗能。

这是独家技术简介 与 Niu 的访谈——为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：您在构建这款混合机器时面临的最大技术挑战是什么？

牛方勇： 毫无疑问，我们面临的最艰巨的技术挑战是在高度动态的制造环境中防止微波泄漏。与传统的静态微波腔（如家用微波炉）不同，我们的混合机器依靠双机器人协调系统来控制沉积路径。支撑基板的高温支撑杆必须连续移动才能逐层构建 3D 组件。这种连续、复杂的运动造成了巨大的密封问题。机器人运动过程中任何微小的间隙或不匹配都可能导致严重的微波泄漏，对操作人员和附近敏感电子设备构成重大安全隐患。

为了克服这个瓶颈，我们必须跳出框框思考。我们设计了一种定制的柔性微波屏蔽罩，它与机器人支撑杆同步移动。该护罩可动态调整其形状以适应机器人的运动，同时保持严格、不间断的电磁密封。由于这种设计，我们成功地将整个打印过程中的微波泄漏严格控制在安全标准以下（<5 mW·cm-2）。解决这个安全和密封问题是关键的第一步，它使我们所有后续的材料发现成为可能。

技术简介 :能简单解释一下它是如何工作的吗？

通过将微波场集成到激光增材制造中，通过增强的熔池控制、孔隙消除和微观结构调节，可以实现更致密、结构更均匀的纳米Al2O3/YAG/ZrO2三元共晶陶瓷。 （图片来源：于学鑫、毕伟明、尹松录、吴东江、马光义、赵丹雷和牛芳勇）

牛： 我们的机器的核心是在工业微波炉内运行的先进机器人 3D 打印机。两个同步机器人使用激光逐层构建陶瓷部件。由于冷陶瓷不吸收微波，因此我们采用了巧妙的设置。我们将组件打印在氧化铝 (Al2O3) 基板上，但我们用特殊的碳化硅 (SiC) 加热底座包围该基板。这种碳化硅的作用就像“微波海绵”——它立即吸收微波并像高科技电炉一样加热。它使 Al2O3 基材和印刷区域变暖，直至达到炽热的 1473 K。在此临界点，陶瓷本身开始直接吸收微波。因此，当激光精确地熔化粉末时，微波充当全局“内部烤箱”，从内到外均匀地加热生长的部分。这种“内部烤箱”解决了两个主要问题：滞留气体（孔隙率）和不均匀的微观结构。

首先，它可以消除毛孔。微波炉加热熔化物，使其像温热的蜂蜜一样流动，从而使气泡轻松飘走。更好的是，微波能量会引发“等离子体效应”——它会电离微小气泡内的气体，从本质上从内到外破坏它们，并将孔隙率降至接近于零。其次，它创建了统一的结构。由于冷却不均匀，标准 3D 打印会在堆叠层之间留下粗糙的“疤痕”或条带。我们的连续微波加热消除了这些恶劣的温度梯度。它无缝地重新熔化这些边界，使材料能够成长为美丽均匀且高度稳定的组件。

技术简介 ：您有进一步研究/工作等方面的既定计划吗？

牛： 是的，我们对下一步行动有一个非常清晰的战略路线图。目前，我们发表的工作重点介绍了如何利用这种微波激光混合技术来控制 Al2O3/YAG/ZrO2 三元共晶陶瓷的微观结构和性能。但坦率地说，这并不是我们设计此方法的主要原因。我们的主要目标 - 也是我们下一步的核心重点 - 是利用微波独特的体积加热效应来显着降低打印过程中的温度梯度。这样做可以有效降低残余热应力，从根本上抑制零件的裂纹问题。裂纹是扩大熔融生长陶瓷 (MGC) 激光增材制造规模的最臭名昭著的障碍。通过微波辅助从根本上解决这种应力引起的裂纹，我们将突破目前限制元件尺寸和复杂性的关键技术瓶颈。

此外，由于这些 AYZ 三元共晶陶瓷是专门为极端环境（例如航空航天发动机和先进电力系统）而设计的，因此我们后续的工作将重点关注其高温性能的表征。我们计划严格测试通过我们的双能源策略制造的组件的高温机械性能。我们的最终目标是确保这些材料不仅在室温下表现出卓越的完整性，而且还具有满足苛刻的实际工业应用所需的非凡的高温稳定性和强度。

技术简介 ：还有什么我没有提到的你想补充的吗？

牛： 我想强调的是，多个能量场的集成（例如我们的微波激光混合系统）代表了“极限制造”的关键范式转变。长期以来，陶瓷的增材制造一直依赖于单一能源，例如仅使用激光。然而，单能系统具有固有的物理局限性，特别是在处理超高温、难以加工的材料时。我们的研究表明，通过智能地结合不同的能量场，我们可以绕过这些自然限制。微波处理体积热环境和等离子体生成，而激光提供精确熔化。我们相信这种多能源混合方法不仅是 AYZ 陶瓷的特定解决方案，而且是更广泛的平台技术。它有可能彻底改变目前被认为“无法打印”的各种先进材料的增材制造。我们非常高兴能够站在这一转变的最前沿，我们期待与行业合作伙伴合作，将这项技术带出实验室，进入航空航天和能源应用。

技术简介 ：对于那些希望将自己的想法变成现实的研究人员，您有什么建议吗？

牛： 我的建议归结为弥合理论概念和物理现实之间差距的三个实际步骤：

• 通过模拟进行广泛验证：在对物理设置进行大量投资之前，最大限度地利用计算模型和模拟来严格验证新想法的理论可行性。运行综合模型可以让您预见潜在的物理障碍并尽早优化您的设计。
• 利用外部资源进行预实验：您并不总是需要立即从头开始构建所有内容。充分利用设备供应商或合作实验室的能力，进行必要的初步测试。这是控制实施成本并在全面投入之前验证核心参数的高效方法。
• 拥抱麻烦并采取行动：不要犹豫，也不要害怕不可避免的麻烦。从理论到工作系统的转变总是复杂而混乱的。你必须有足够的勇气去亲力亲为，面对挫折，然后去尝试。

最终，只有当您将严格的理论验证与无所畏惧的实际执行相结合时，一个伟大的想法才会实现。