突破：金屬3D打印粉末對激光吸收率高達70%，LLNL新型蝕刻技術(shù)增強

2024年10月10日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員與學(xué)術(shù)界合作伙伴共同宣布，在金屬增材制造領(lǐng)域取得突破性進展。他們開發(fā)出一種創(chuàng)新技術(shù)，通過在金屬粉末上創(chuàng)建納米級表面特征，顯著增強了在3D打印過程中的光吸收率。這項技術(shù)尤其對銅和鎢等高反射率材料的打印效率和質(zhì)量提升具有重大意義。

△研究人員通過納米級蝕刻技術(shù)將金屬粉末的吸收率提高70%，優(yōu)化了3D打印過程中的能量效率

技術(shù)研發(fā)背景

3D打印技術(shù)已經(jīng)革新了產(chǎn)品的設(shè)計與制造流程，能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀和定制組件。盡管如此，激光粉末床熔合（LPBF）金屬3D打印技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是某些金屬的高反射性，這限制了激光能量的有效吸收，可能導(dǎo)致打印效率低下，甚至損壞打印機。

△該研究已發(fā)表在《Scientific Advisor 》期刊并榮登了9月份雜志封面，題目為“用于增材制造的高吸收率納米紋理粉末”

為了克服這一難題，由LLNL、斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家組成的國際研究小組，開發(fā)了一種獨特的濕化學(xué)蝕刻工藝。這項工藝能夠改變傳統(tǒng)金屬粉末的表面特性，通過創(chuàng)建納米級凹槽和紋理，顯著提高粉末對激光的吸收率。研究人員指出，通過這項技術(shù)，粉末的吸收率可提高多達70%。這一進步有望在激光熔化過程中實現(xiàn)更高效的能量傳遞，從而提高打印質(zhì)量并降低能耗。

△蝕刻前后紋理粉末的表面形貌變化

LLNL的創(chuàng)新表面處理方法

目前，普遍認為使用標準商用激光機器無法實現(xiàn)高品質(zhì)純銅金屬增材制造。聯(lián)合主要作者、LLNL材料科學(xué)家Philip DePond表示：“我們的方法結(jié)合了傳統(tǒng)表面處理技術(shù)來提高吸收率，同時避免損害銅的純度或其關(guān)鍵材料特性，如高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性�！�

更重要的是，我們揭示了激光與粉末的相互作用超出了熔池區(qū)域。這一點已在LLNL進行的高保真模擬中得到證實，盡管實驗中尚未詳細描述。我們不僅證明了這些相互作用的存在，還展示了它們對過程的潛在益處。

研究人員指出，濕蝕刻技術(shù)雖然簡單，但效果顯著。該團隊將銅和鎢等金屬粉末浸入特制溶液中，選擇性地去除表面材料，從而形成復(fù)雜的納米級特征，并增強粉末對激光的吸收能力。為了表征蝕刻粉末的表面特征，研究人員采用了高級成像技術(shù)，包括同步加速器X射線納米斷層掃描，該技術(shù)提供了粉末顆粒的詳細3D表示，使團隊能夠分析并準確模擬納米級修改的電磁影響。

該團隊進行了廣泛實驗，以證明吸收率提高的機制，并將其歸因于改性粉末。使用位于LLNL先進制造實驗室和MIRILIS激光材料相互作用實驗室的定制LPBF系統(tǒng)進行了工藝優(yōu)化研究，并最終完成了批量和復(fù)雜樣品的打印。

△紋理粉末中吸收率增強的實驗和模擬

新技術(shù)實現(xiàn)高效率、低成本純銅與鎢3D打印

該團隊的一項關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，他們成功實現(xiàn)了以較低能量輸入打印高純度銅和鎢結(jié)構(gòu)：銅的能量輸入低于100 J/mm³，接近高密度鈦和不銹鋼合金的范圍；而鎢的能量輸入約為700 J/mm³，比傳統(tǒng)方法減少了約1/3。

DePond解釋說：“從更廣泛的角度來看，我們的方法實現(xiàn)了在不損害3D打印系統(tǒng)本身的情況下打印銅。此外，工藝參數(shù)窗口變得更加寬廣，這使得我們能夠探索更廣泛的掃描條件，這對于打印復(fù)雜幾何形狀至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，為了處理銅和其他高反射材料，少數(shù)機器制造商甚至研發(fā)了全新的機器。這些機器的成本幾乎是傳統(tǒng)機器的兩倍，因此打印這些材料的門檻非常高�！�

這項研究的潛在應(yīng)用可能會對生產(chǎn)產(chǎn)生顯著影響。研究人員指出，降低打印過程的能源消耗不僅能降低運營成本，還能最小化制造過程對環(huán)境的影響，并為新的生產(chǎn)者群體提供銅3D打印的可能。

能源安全計劃負責(zé)人Dan Flowers表示：“這種方法甚至能讓激光功率輸出較低的商用機器打印銅，從而使得該技術(shù)更加普及，并為更廣泛的社區(qū)提供使用機會�！彼�補充道，他希望這項工作能夠激勵工業(yè)界在先進制造業(yè)中更廣泛地利用銅。

Flowers說：“更高效的銅打印不僅支持了熱交換和催化技術(shù)，還促進了眾多清潔能源和脫碳技術(shù)的發(fā)展。LLNL社區(qū)和我們的低碳能源使命將從這種能力中受益�！�

通過增強吸收率和改進粉末動力學(xué)，研究人員還能夠生產(chǎn)出具有更大相對密度的高質(zhì)量打印部件。在實驗中，他們以低于其他打印銅部件一半的能量實現(xiàn)了高達92%的相對密度，而在更高的能量輸入下，甚至達到了99%以上的相對密度，這表明有潛力生產(chǎn)出更加堅固和耐用的金屬部件。

接下來，該團隊將研究納米紋理對粉末元素混合的影響，例如在通常需要截然不同能量輸入才能熔化的不同材料之間。