使用激光“加熱并敲打”3D打印鋼材有助于降低成本

導(dǎo)讀：研究人員開發(fā)了一種3D打印金屬的新方法，有助于降低成本并更有效地利用資源。

2023年11月2日，南極熊獲悉，這種方法是由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊開發(fā)的，它允許在3D打印過程中將結(jié)構(gòu)性修改“編程”到金屬合金中，微調(diào)其性能，而無需使用已經(jīng)使用了數(shù)千年的“加熱和錘打”工藝。

該研究團隊開發(fā)的新方法將兩個領(lǐng)域的最佳品質(zhì)融合在一起：3D打印實現(xiàn)的復(fù)雜形狀與傳統(tǒng)方法允許的金屬結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計能力。通過控制材料在熔化和凝固過程中的方式以及產(chǎn)生的熱量，研究人員可以對最終材料的特性進行編程。通常情況下，金屬被設(shè)計成堅固和耐用，以確保其安全用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用。雖然3D打印的金屬本質(zhì)上很堅固，但也很脆。

△這一研究成果已在《自然通訊》雜志上發(fā)表，題目為“具有可編程微觀結(jié)構(gòu)和性能的合金增材制造”（傳送門）

可編程金屬工藝遇到的問題

與其他制造方法相比，3D打印具有多種優(yōu)勢。例如，利用3D打印可以更輕松地生產(chǎn)復(fù)雜的形狀，同時減少了與傳統(tǒng)金屬制造方法相比所需的材料用量，從而提高了生產(chǎn)效率。然而，它也存在顯而易見的缺點。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的劍橋大學(xué)工程系的Matteo Seita博士表示：“3D打印有廣泛的應(yīng)用前景，但其成本較高，尤其在工業(yè)領(lǐng)域。其中一個主要成本因素是在制造后需要進行的材料調(diào)整�！�

△通過設(shè)計的微觀結(jié)構(gòu)定制機械性能

自古銅器時代以來，金屬零件的制造一直采用加熱和鍛造的傳統(tǒng)方法。這一方法通過敲打使材料硬化，然后通過加熱使其軟化，使制造商能夠?qū)⒔饘僦瞥伤�需的形狀，并賦予其物理特性，例如柔韌性或強度。

Seita說：“加熱和敲打之所以如此有效，是因為它改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而可以控制其性能，這就是為什么它幾千年后仍在使用�！�

目前，3D打印技術(shù)的一個主要缺點之一是無法以相同的方式控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這就是為什么需要進行大量的后期制作修改的原因。 Seita表示：“我們正在努力尋找一些方法，以恢復(fù)部分結(jié)構(gòu)工程能力，而不需要依賴加熱和敲打，這將有助于降低成本。如果能夠控制金屬的所需屬性，就可以更好地利用3D打印的環(huán)保優(yōu)勢�！�

△通過激光粉末床熔合 (LPBF) 實現(xiàn)不銹鋼 316L (SS316L) 的可編程熱穩(wěn)定性

可編輯金屬工藝的未來

Seita與來自新加坡、瑞士、芬蘭和澳大利亞的同事合作，開發(fā)了一種新的金屬3D打印“配方”，能夠在激光熔化材料的過程中高度控制材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

研究人員開發(fā)的策略通過將3D打印金屬部件放入相對較低溫度的熔爐中觸發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的受控重構(gòu)，以完全控制強度和韌性。他們的方法使用傳統(tǒng)的基于激光的3D打印技術(shù)，但對流程進行了一些微小的調(diào)整。

Seita表示：“我們發(fā)現(xiàn)激光可以像‘微型錘子’一樣，在3D打印過程中硬化金屬。然而，當(dāng)同一激光第二次熔化金屬時，會松弛金屬的結(jié)構(gòu)，從而在將零件放入熔爐時允許結(jié)構(gòu)重新配置�！�

他們的3D打印鋼經(jīng)過理論設(shè)計和實驗驗證，由強韌材料交替區(qū)域制成，其性能可與通過加熱和敲打制成的鋼相媲美。

Seita還指出：“我們相信這種方法可以降低金屬3D打印的成本，從而提高金屬制造業(yè)的可持續(xù)性。未來，我們還希望能夠繞過熔爐中的低溫處理，進一步減少3D打印零件在工程應(yīng)用中所需的步驟數(shù)。”