太冷门：固相摩擦金属3D打印技术，国内发展几何？

导读：在制造业的发展历程中，技术的革新总是带来生产力的飞跃。固相摩擦增材技术，也称搅拌摩擦沉积3D打印技术，作为一种新兴的金属3D打印技术，正以其独特的优势在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域掀起一场制造革命。

固相摩擦增材技术能够在固态条件下进行材料加工，能够有效避免熔融过程中可能产生的缺陷，确保材料的力学性能优良。此外，固相摩擦增材技术还具有较低的能耗和材料浪费，符合当前社会对环保和可持续发展的需求。这种技术通过固态加工方式，实现了材料的高效利用和零件性能的显著提升，为复杂结构的制造提供了更多可能。

在第四届航空航天大会上，南极熊看到了航天工程装备（苏州）有限公司（AEE）展出的固相摩擦增材技术打印的多个零件。经过检索发现，这项技术几年前在国内还处于空白状态，而如今国内已经有多家单位正在开展相关研究甚至开发出了相关的技术装备，例如：天津大学固相摩擦挤压增材制造技术团队，陕西智拓公司等。

固相摩擦增材技术概览

固相摩擦增材技术是一种创新的制造工艺，它通过在低于材料熔点的温度下进行分层切片和扩散焊接，逐层堆积金属材料，形成复杂的三维结构。与传统熔融增材制造不同，这一技术避免了熔化和再凝固的过程，从而提高了材料的力学性能和致密性。该技术的核心在于对一个固体进料杆（打印材料）进行加热和旋转，并向下推进，当送料杆接触到下面的基材时，通过摩擦粘在基材上，利用摩擦热将材料加热至发生塑性变形，但绝不会熔化。然后通过搅拌工具将加热的材料均匀混合，最终在目标形状上沉积成型。

△获得专利的MELD固态工艺。照片来自MELD制造。

此前，南极熊曾对国外MELD制造公司推出的搅拌摩擦沉积3D打印技术展开过系统介绍：比SLM快十倍的搅拌摩擦沉积3D打印技术，MELD制造公司与大学合作推进新技术研究-南极熊3D打印网 - 平台。与主流的激光、电子束和电弧增材制造技术相比，固相摩擦挤压增材制造工艺具有以下优势：低热影响区：由于材料是在固态下加工，热影响区较小，能够有效减少材料变形和组织变化，可获得无凝固缺陷、完全致密、低残余应力且力学性能优异的金属零部件；

1)     优越的力学性能：成型后材料的强度和韧性通常优于传统熔融增材制造的材料；

2)     广泛的材料适用性：可适用于铝、镁、铜等多种金属材料，拓宽了应用领域；

3)     制造高效可持续：增材沉积速度高数倍，沉积过程绿色环保、生产效率高；

4)     开放式工作环境：不需要保护气或昂贵的真空系统，可以打印超大型金属零件。

固相摩擦增材技术的应用领域广泛，涵盖航空航天、汽车制造、模具制造等多个行业。在航空航天领域，该技术可以用于制造高强度和高可靠性的结构件，满足极端环境下的使用要求。在汽车行业，利用该技术能够有效降低重量，提高燃油效率，同时保持结构强度。

国内固相摩擦增材技术的进展

几年前，固相摩擦增材技术在中国国内还处于空白状态，仅有美国MELD制造公司开展相关的研究。然而，国内如今已经有多家单位开发出了这项技术。

AEE与澳门发展及质量研究所联合研制的搅拌摩擦固相增材设备，是国内首台科研型设备，标志着中国在这一领域的重大突破。该设备采用桥式结构设计，可搭载传统机械刀柄和具备数据采集及智能闭环控制功能的“智慧刀柄”，使用10毫米合金棒料为原材料，能够进行轻质合金固相增材制表面改性、涂层制备及新材料研发，可实现有色金属、黑色金属、异质合金、高温合金等材料的固相制造。相关设备已顺利交付北京科技大学使用，将用于相关实验室的基础科研与前沿技术探索。

AEE作为国家级“专精特新”小巨人企业，其在搅拌摩擦固相增材领域的技术和服务优势显著。公司与IDQ团队联合攻关，针对客户需求进行了定制化设计，并申请了搅拌摩擦固相增材共有知识产权专利三十余项，发表SCI论文十余篇。这些成就不仅推动了国内智能制造工艺装备的发展，也为我国在全球固态增材制造技术领域中赢得了一席之地。

除了航天工程装备（苏州）有限公司，国内也有多家单位在固态增材技术方面进行深入研究和开发。其中，天津大学固相摩擦挤压增材制造技术团队是国内固相摩擦金属增材制造工艺的开拓者：天津大学成功开发固相摩擦挤压增材制造技术及设备-南极熊3D打印网 - 平台。该团队拥有一支由教授为核心，博士生和硕士生组成的高水平研发团队，致力于为固相摩擦挤压增材制造工艺及相关的优质技术服务。研究团队不断优化工艺参数，以提升材料的性能和打印效率。他们自主研发出国内首台连续送棒料固相摩擦挤压增材制造装备，已完全掌握多种铝合金和镁合金超大尺寸结构件的增材制造核心工艺，目前处于产业化阶段。产品的核心价值在于解决了目前主流金属增材制造技术很难制备大尺寸(米级)、高性能及高承载增材结构件的局限性，尤其为铝及镁合金结构件增材制造开辟新途径。

固相摩擦挤压增材制造设备及试验工作平台(2020年)

陕西智拓公司也是固相摩擦增材技术的积极参与者，专注于技术的实际应用和市场推广：曝光：固相增材制造技术，陕西智拓1200吨位-南极熊3D打印网 - 平台。该公司的固相增材制造技术是通过分层切片和扩散焊接的方式，将金属材料逐层堆积，形成复杂的三维结构。技术原理在于在低于材料熔点的温度下进行固相焊接，避免了熔化和再凝固的过程，从而提高了材料的力学性能和致密性。陕西智拓的技术优势在于快速成型、材料多样性以及成本效益，尤其在小批量生产和复杂产品制造中展现出较高的成本效益。目前，该公司正在通过与多家科研机构合作，加快固态增材技术的商业化进程，为国内相关行业的快速发展贡献了力量。

结语

固相摩擦增材技术以其独特的优势，正在成为航空航天制造领域的关键技术之一。从航天工程装备（苏州）有限公司的成功实践，到天津大学和陕西智拓等单位的积极探索，国内在这一技术领域的研究正在蓬勃发展。相信随着国内越来越多企业和研究机构的深入研究和技术创新，这项技术的应用范围将进一步扩大，不仅在航空航天领域，还将在汽车、医疗等多个行业发挥重要作用。未来，随着技术的不断成熟和应用的不断拓展，固相摩擦增材技术有望为全球制造业带来革命性的变化。南极熊也将持续关注这一技术的发展，为读者带来最新的行业动态和技术进展。