金屬3D列印大躍進！Caltech打造4倍強度超合金

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2025/08/18 金屬3D列印大躍進！Caltech打造4倍強度超合金

美國加州理工學院(Caltech)的研究團隊成功研發一項革命性金屬3D列印技術——水凝膠浸注增材製造(Hydrogel-Infusion Additive Manufacturing, HIAM)，精準打造具客製形狀與成分的金屬結構，可針對不同應用，量身設計具特定機械與功能性的合金！

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利用新技術創造的蜂窩結構

Caltech材料科學教授表示，傳統冶金從礦石開始經高溫或化學精煉，金屬性能往往受限。而HIAM技術能「微調金屬的化學成分與微觀結構」，大幅提升機械韌性，真正把冶金帶入21世紀時代。

未來應用範圍包括高強度、具生物相容性的醫療支架，以及能耐惡劣環境的輕量化航太零件。

HIAM雙金屬列印，銅鎳合金精準成型
此研究把原本只能列印單一金屬的HIAM技術，升級為多金屬列印，並成功製作銅–鎳合金。
製程步驟如下：
1. 3D列印水凝膠支架：以高分子樹脂逐層堆疊成型。
2. 金屬鹽溶液浸注：將支架充滿所需的金屬離子。
3. 煅燒：去除有機物，生成金屬氧化物。
4. 還原退火：在氫氣環境中加熱，釋放氧氣並轉化為固態合金，精準保留原始形狀與比例。

這種方法可自由變更金屬比例，傳統冶金無法達成的客製化都能在HIAM中成為可能。

使用水凝膠灌注積層製造技術(HIAM)製造銅鎳合金的製程路線

微觀結構提升4倍強度
團隊使用穿透式電子顯微鏡(TEM)分析發現，HIAM製造的合金晶體結構均勻，晶粒方向一致。在還原退火時，水蒸氣逸出形成的微孔，結合殘留的氧化物，可抑制晶粒成長，使結構更穩定。

實驗顯示，合金強度不僅與晶粒大小有關，化學成分同樣重要。例如Cu12Ni88(12%銅＋88%鎳)的強度幾乎是Cu59Ni41的4倍。

此外，TEM還發現奈米尺寸的氧化物夾雜物，這些金屬–氧化物介面能將硬度提升至4倍，為高強度合金開啟全新的設計思路。

加速產業化應用
除了Caltech的實驗室突破，全球金屬3D列印市場也在加速成熟。荷蘭公司MX3D採用電弧增材製造(WAAM)技術，大幅減少超過80%材料浪費，並已獲700萬歐元投資，用於能源、航太、船舶產業。

中國的Eplus3D則已交付逾百台「超大幅面」金屬3D列印機，滿足多雷射、大尺寸的工業生產需求。

MX3D WAAM機械手臂正在列印大型金屬零件

金屬3D列印的未來
從HIAM高精度多金屬製造到大尺寸工業化生產，金屬3D列印正快速改變航太、醫療、能源等產業格局。而Caltech的突破，證明透過材料科學與增材製造的結合，我們不只是在製造金屬零件，而是在重新定義金屬的可能性。

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