《Nature Communications》：利用陶瓷纳米颗粒控制金属3D打印缺陷

南极熊导读：2022年3月16日University of Wisconsin–Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）教授Lianyi Chen和他的科研团队在激光粉末床熔合（LPBF）3D打印技术上进行了升级改良，利用陶瓷纳米颗粒消除金属3D打印过程中产生的大飞溅物体，从而控制金属3D打印中产生的缺陷。

与传统制造方法相比，3D打印技术在生产形状非常复杂的金属部件具有极佳的优势，激光粉末床熔合是一种用于制造金属部件的3D打印技术，设计灵活、资源有效利用率高。其主要优点是以合理的高分辨率生产多个零件，甚至是大型零件。

△激光粉末床熔合（LPBF）3D打印示意图。图片来自Google

LPBF材料因制造过程中飞溅物易于形成各种类型的孔隙和裂缝，易于产生疲劳行为。这些缺陷会严重影响成品部件的强度和耐用性。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程助理教授Lianyi Chen说，“使用金属3D打印，我们无法始终如一地生产出与传统工艺相同的高质量和可靠性部件，这意味着我们时刻担心在关键或承重应用中使用3D打印部件而出现不可避免的故障问题。这个质量问题是全面推行金属3D打印的最大障碍。”（例如，航空航天、医疗、国防等）

△Lianyi Chen教授（左）和博士生Luis Escano和Minglei Qu（右）在实验室工作。图片来自RENEE MEIL LER

现在，Chen和他的学生们已经发现了一种方法，通过改良激光粉末床融合3D打印技术，可显著降低金属部件缺陷。他们在最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中详述了他们的发现。

“我们研究了一种金属3D打印技术更加可靠的办法，使其能够生产出一致的、无缺陷的零件，”Chen说。“使用我们独特的方法，能够打印出一个几乎完美的金属部件且没有缺陷，并且质量可以与商业制造部件相媲美。”这是一个可以解决金属3D打印长期以来一直存在的问题，并为广泛推广这种制造技术打开了一扇门。

南极熊获悉激光粉末床熔合使用聚焦的高能激光束选择性地熔化金属粉末的薄层，从而将计算机辅助设计模型直接转换为零件。然而，粉末床的聚焦激光加热会造成严重的工艺不稳定性，蒸气射流的高速向上蒸气流将粉末和液滴喷射出去，形成飞溅物。并诱导周围气体流向激光束，从而引起粉末夹带。这种不稳定性从而导致3D打印的过程中产生各种缺陷。

△通过纳米粒子来消除LPBF制造中的大飞溅物，图片来自《Nature Communications》

使用陶瓷纳米颗粒来稳定控制3D打印激光粉末床融合制造过程中出现缺陷，研究人员对该技术这样概述。通过在金属粉末上涂上陶瓷纳米颗粒，研究人员可以控制这些不稳定性。利用高速同步X射线成像和数据分析，他们发现纳米颗粒涂层稳定了熔池，防止液滴喷出来，可避免形成更大的飞溅。

△微观结构和性能，图片来自《Nature Communications》

当我们引入纳米粒子时，我们发现它们使液滴的表面似乎形成了一层护甲，所以当它们相撞时，它们并没有融合在一起，该研究的主要研究者Minglei Qu表示。这是我们第一次能够有效去除大飞溅问题。

该技术除了应用在3D打印技术以外，Chen表示，这项技术的进步可能会带来广泛的应用改进，包括激光抛光、激光熔覆、焊接、铸造和流体稳定性控制等。

该研究的其他作者包括Qilin Guo、Luis I. Escano、Ali Nabaa、s . Mohammad H. Hojjatzadeh和Zachary A. Young，他们都是Chen实验室的研究生。

另外这项研究得到了美国国家科学基金会和威斯康星大学麦迪逊创业基金的资助。

利用陶瓷纳米颗粒控制金属3D打印缺陷文献链接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2#ethics