擠壓可以生產由輕質金屬製成的複雜零件，對於從建築到電動車的各種產品來說，它是一種日益重要的製造過程。太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 獲得專利剪切輔助加工和擠壓 (ShAPE)該技術超越了傳統擠壓技術，能夠製造出具有傳統製造無法實現的非凡性能的材料和零件。

現在，下一代ShAPE機器已經抵達PNNL，它將幫助證明ShAPE技術的勇氣。已啟動並運行的「ShAPE 2」旨在讓研究人員能夠生產更大、更複雜的擠壓件，這是 ShAPE 技術在許多實際工業應用方面邁出的重要一步。

ShAPE 聯合開發者兼 PNNL 首席材料科學家 Scott Whalen 表示：“這讓我們進入了可以應用於真實建築和真實汽車的領域。”「在 ShAPE 2 上，我們已經製作了滿足實際零件需求的型材。例如，我們擠壓了一根直徑為 2 英寸、壁厚為 0.1 英寸的管材，與車頂縱樑的型材相同在福特F- 150 上。

進入ShAPE

擠壓金屬部件是將金屬坯料推入模具中的開口而製成的。傳統上，金屬擠壓在將其推入模具之前使用外部熱量來軟化整個坯料。

但 ShaAPE 則不然。相反，ShAPE 將模具附近的旋轉頭與另一端的極其強大的液壓機結合在一起。液壓機將坯料推向模具，旋轉頭產生摩擦力，僅加熱並軟化進入模具的坯料部分。

這種方法可以生產具有非常規化學成分和微觀結構的零件，從而改善材料性能，還可以擠壓消費後的鋁廢料，與傳統的回收方法相比，可以將隱含能源和碳排放量減少90 % 以上。

更難、更好、更快、更強

第一代 ShAPE 機器於七年前首次亮相，已經進行了廣泛的研究，證明了 ShAPE 對於從汽車零件到超導體等各種用例的適用性。隨著 ShAPE 1 在一次又一次的測驗中不斷取得優異成績，研究人員規劃了下一步：擴大規模。

進入ShAPE 2。這台機器很快就生產了第一批成功的擠壓件。

「與 ShAPE 1 相比，ShAPE 2 為我們提供了三倍的馬達功率、四倍的扭力以及多出 50% 的沖壓力，」Whalen 解釋道。

至關重要的是，更大的 ShAPE 2 機器能夠生產更大的擠壓件。ShAPE 1 只能生產 1/2 至 3/4 英吋直徑範圍內的擠壓件，而 ShAPE 2 將能夠生產直徑高達 1.5 或 2 英吋的擠壓件。

對於許多其他應用，ShAPE 2 可能可以生產大約一半尺寸的組件，其中許多工業擠壓組件需要大約四英寸的直徑。

「在 PNNL，我們的業務是研發，」Whalen 強調。「但解決放大和其他製造問題有助於確保像ShAPE 這樣的技術走出實驗室並進入現實世界。ShAPE 2 的規模約為一半，比以往任何時候都更具工業相關性。它足夠大，利益相關者和高階主管可以相信好處和可能性。

由於擠壓尺寸的增加，ShAPE 2 還將允許研究人員在擠壓件中創建更複雜的特徵，例如複雜的織帶。

踩下金屬踏板

ShAPE 2 提出的第一個問題是，擴大該技術是否會對擠壓件的微觀結構或材料性能產生任何意想不到的變化。

PNNL 研究工程師 Scott Taysom 表示：“我們預計，儘管尚未得到證實，但在相似的操作條件下，ShAPE 1 和 ShAPE 2 將產生相似的微觀結構。”

透過相互測試 ShAPE 1 和 ShAPE 2 的輸出，研究人員計劃預測完整的工業規模 ShAPE 機器可能如何擴展。

「這是一個新過程，我們認為我們了解它將如何擴展，但我們需要透過突破 ShAPE 1 和 ShAPE 2 的極限，用實驗數據驗證我們的數學預測，」Whalen 說。

早期測試將專注於測試 ShAPE 2 的上限（適用於圓形擠壓件和更複雜的擠壓件），並引入更具挑戰性的材料，例如消費後的鋁廢料。

「我們很高興能用鋁廢料製造更大的零件，然後將其發送到精加工廠，看看我們的回收材料對陽極氧化、噴漆、粉末塗層等有何反應，」惠倫說。

“對於建築和建築業，重要的是要證明這些塗層在 ShAPE 擠壓鋁廢料上的性能與在傳統擠壓初級合金上的性能一樣好。

雖然對 ShAPE 2 進行的大部分初步研究將集中在評估機器本身，但其他研究項目將在今年年底開始使用該機器。最終，ShAPE 2 將用於涵蓋建築、汽車製造、工業脫碳等應用的研究領域，其中一些項目是從 ShAPE 1 的研究遷移而來的。

所有 ShaAPE 和尺寸

同時，ShAPE 1 不會消失。「ShAPE 1 仍然是一個出色的平台，我們將繼續使用它進行科學研究，」Whalen 說。

該團隊還希望利用 ShAPE 1 作為風險較低的墊腳石，以進一步加深對該過程的科學理解，並幫助研究人員最終將工作規模擴大到 ShAPE 2。

「如果您要使用特殊金屬或難以擠壓的合金，並且您仍在弄清楚想要在什麼溫度下運行，那麼讓我們先在更小、更便宜的東西上嘗試一下，然後再轉向更大的東西，」泰索姆說。「如果你不小心毀壞了一個模具，它會是ShAPE 1 上較便宜的模具，而不是ShAPE 2 上較貴的模具。我們是一家不斷突破界限的研發組織，所以有時我們會丟棄模具- 這只是一個研究的一部分。

銳意進取

「ShAPE 2 將使我們能夠提高協作能力，」Whalen 說。「當我與潛在的研究合作夥伴交談時，他們對我們所做的事情印象深刻，但他們總是問：『獲得全尺寸零件的途徑是什麼？’這是幫助人們了解 ShAPE 可以擴大規模的一步。

當然，該團隊已經有了關於額外 ShaAPE 機器的想法。這些未來的迭代可能不會更大：相反，他們可能會專注於用特殊材料生產不同類型的擠壓件，利用新型組件，或服務於更具體的產品工業應用。

“作為國家實驗室的研究人員，我們的目標之一是降低行業採用技術的風險，無論是規模、吞吐量還是材料特性。”惠倫說。“我們正在努力降低盡可能多的領域的風險。”