使用激光“加热并敲打”3D打印钢材有助于降低成本

导读：研究人员开发了一种3D打印金属的新方法，有助于降低成本并更有效地利用资源。

2023年11月2日，南极熊获悉，这种方法是由剑桥大学领导的研究团队开发的，它允许在3D打印过程中将结构性修改“编程”到金属合金中，微调其性能，而无需使用已经使用了数千年的“加热和锤打”工艺。

该研究团队开发的新方法将两个领域的最佳品质融合在一起：3D打印实现的复杂形状与传统方法允许的金属结构和性能设计能力。通过控制材料在熔化和凝固过程中的方式以及产生的热量，研究人员可以对最终材料的特性进行编程。通常情况下，金属被设计成坚固和耐用，以确保其安全用于结构应用。虽然3D打印的金属本质上很坚固，但也很脆。

△这一研究成果已在《自然通讯》杂志上发表，题目为“具有可编程微观结构和性能的合金增材制造”（传送门）

可编程金属工艺遇到的问题

与其他制造方法相比，3D打印具有多种优势。例如，利用3D打印可以更轻松地生产复杂的形状，同时减少了与传统金属制造方法相比所需的材料用量，从而提高了生产效率。然而，它也存在显而易见的缺点。

领导这项研究的剑桥大学工程系的Matteo Seita博士表示：“3D打印有广泛的应用前景，但其成本较高，尤其在工业领域。其中一个主要成本因素是在制造后需要进行的材料调整。”

△通过设计的微观结构定制机械性能

自古铜器时代以来，金属零件的制造一直采用加热和锻造的传统方法。这一方法通过敲打使材料硬化，然后通过加热使其软化，使制造商能够将金属制成所需的形状，并赋予其物理特性，例如柔韧性或强度。

Seita说：“加热和敲打之所以如此有效，是因为它改变了材料的内部结构，从而可以控制其性能，这就是为什么它几千年后仍在使用。”

目前，3D打印技术的一个主要缺点之一是无法以相同的方式控制内部结构，这就是为什么需要进行大量的后期制作修改的原因。 Seita表示：“我们正在努力寻找一些方法，以恢复部分结构工程能力，而不需要依赖加热和敲打，这将有助于降低成本。如果能够控制金属的所需属性，就可以更好地利用3D打印的环保优势。”

△通过激光粉末床熔合 (LPBF) 实现不锈钢 316L (SS316L) 的可编程热稳定性

可编辑金属工艺的未来

Seita与来自新加坡、瑞士、芬兰和澳大利亚的同事合作，开发了一种新的金属3D打印“配方”，能够在激光熔化材料的过程中高度控制材料的内部结构。

研究人员开发的策略通过将3D打印金属部件放入相对较低温度的熔炉中触发微观结构的受控重构，以完全控制强度和韧性。他们的方法使用传统的基于激光的3D打印技术，但对流程进行了一些微小的调整。

Seita表示：“我们发现激光可以像‘微型锤子’一样，在3D打印过程中硬化金属。然而，当同一激光第二次熔化金属时，会松弛金属的结构，从而在将零件放入熔炉时允许结构重新配置。”

他们的3D打印钢经过理论设计和实验验证，由强韧材料交替区域制成，其性能可与通过加热和敲打制成的钢相媲美。

Seita还指出：“我们相信这种方法可以降低金属3D打印的成本，从而提高金属制造业的可持续性。未来，我们还希望能够绕过熔炉中的低温处理，进一步减少3D打印零件在工程应用中所需的步骤数。”