研究人员开发出一种在制造业中减少金属废料的新方法

在制造飞机零部件、电池材料、切削工具、生物医学植入物及其他精密工程部件时，往往会用到粉末状金属。

在更换、搬运、回收材料或进行多材料3D打印的过程中，这些粉末可能会发生混合或交叉污染，从而无法再满足重复使用的严格要求。即便这些剩余粉末、受污染的原料或生产失败产生的废料中仍含有宝贵的金属，它们也往往会被直接丢弃。

美国缅因大学的一个研究团队开发出一种工艺，能够回收这些材料，使其可重新用于3D打印、烧结及其他基于粉末的制造流程。

该方法被称为“剪切辅助颗粒捕获”（Shear-AssistedParticleEntrapment，简称SHAPE），它能将微小的金属颗粒分离出来，并将其捕获在聚合物薄膜中。

在发表于《粉末技术》期刊的一项新研究中，研究人员对该工艺进行了测试：他们将铝粉和铜粉混合在液体中，并置于一台旋转设备内进行处理。

项目首席研究员巴希尔·霍达（BashirKhoda）表示，项目团队正试图解决一个严重的材料损耗问题。在航空航天、储能、工具制造、生物医学设备和电子产品等关键领域，生产高价值零部件和产品时常会遇到这一问题。

霍达表示，其团队的研究成果对于3D打印及其他基于粉末的增材制造工艺尤为重要，因为在这些工艺中，金属粉末可能会发生混合。他指出，若能在不熔化且无须彻底重新加工的情况下回收这些颗粒，将有望减少材料浪费、降低高能耗的再加工需求，并减少对新原材料的依赖。

该项目的长期目标不仅仅是在实验室中分离颗粒，而是开发一套可扩展的、由人工智能驱动的制造系统。该系统能够回收发生交叉污染的粉末，并将可用的材料重新投入到增材制造供应链及其他领域中。

研究人员对直径在0~25微米之间的铝和铜微颗粒进行了测试。将这些颗粒混合在液体载体中，并置于每分钟200~1500转（rpm）的旋转速度下进行处理。

研究团队发现，通过微调工艺参数，可以实现对不同颗粒的捕获。在约200转的转速下，基底上捕获的颗粒中约87%为铝；随着转速提高，铜颗粒的占比逐渐增加；当转速达到1500转时，被捕获的颗粒中约90%为铜。这种方法之所以在分离方面具有研究价值，是因为不同的颗粒在相同的流动条件下会表现出不同的响应。

尽管研究人员在颗粒层面上实现了高选择性，但在实验室条件下，从初始混合物中捕获到的材料总量仍然相对较低。

目前的研究仅仅是展示该机制的选择性，而不是一套已可投入工业应用的回收工艺。接下来的挑战在于，在保持这种选择性的同时，大幅提升可处理及回收的物料量。

未来的研究将探索如何在维持选择性分离的前提下，增加物料的处理量。研究人员正在考察基底的尺寸与几何结构、多基底的使用、颗粒负载量、聚合物浓度、处理时长，以及连续式或多级式操作等因素。

该团队还计划进一步研究颗粒迁移与滞留背后的物理机制，并测试更多的物料组合。最终目标是确定回收后的粉末是否仍具备重复利用所需的化学性质、形貌特征、流动性以及制造性能。（逸文）