倫敦大學(xué)學(xué)院利用磁場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)減少3D打印部件中的缺陷

2025年2月24日，南極熊獲悉，倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和格林威治大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，可大幅減少制造過(guò)程中的缺陷。如果這項(xiàng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，它可以使一系列部件（從人工髖關(guān)節(jié)到飛機(jī)部件）更堅(jiān)固、更耐用。

△相關(guān)研究已發(fā)表于《科學(xué)》雜志上，題目為“激光焊接和增材制造過(guò)程中小孔不穩(wěn)定性磁調(diào)制”（傳送門(mén)）

磁場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)提升3D打印金屬部件質(zhì)量

這項(xiàng)研究首次以空前的細(xì)節(jié)實(shí)時(shí)捕捉了激光3D打印金屬合金過(guò)程中涉及的關(guān)鍵力。研究小組利用芝加哥先進(jìn)光子源（APS）同步加速器的高速同步加速器X射線成像技術(shù)，記錄了激光束與金屬原料在不到千分之一秒內(nèi)的復(fù)雜相互作用。

通過(guò)這種方式，研究者們得以觀察到激光熔化金屬合金時(shí)產(chǎn)生的蒸汽如何在組件中形成小的鎖孔狀孔隙，以及導(dǎo)致這些鎖孔不穩(wěn)定的具體原因，進(jìn)而導(dǎo)致3D打印部件出現(xiàn)缺陷。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)探索了在零件成型過(guò)程中對(duì)金屬合金施加磁場(chǎng)的制造策略。他們推測(cè)，這可能有助于穩(wěn)定激光擊中熔融金屬的區(qū)域，從而減少缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一假設(shè)，在施加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)后，打印部件中的孔隙形成減少了80%。

倫敦大學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系的研究負(fù)責(zé)人Xianqiang Fan博士解釋道：“激光加熱金屬時(shí)，金屬會(huì)熔化，同時(shí)產(chǎn)生蒸汽。蒸汽形成羽流，推動(dòng)熔融金屬，形成J形凹陷。表面張力引起的凹陷處的波紋會(huì)在底部斷裂，導(dǎo)致成品部件出現(xiàn)孔隙。當(dāng)我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中施加磁場(chǎng)時(shí)，熱電力引發(fā)的流體流動(dòng)有助于穩(wěn)定孔隙，使它更接近于‘I’形。當(dāng)出現(xiàn)波紋時(shí)，就不會(huì)有尾部斷裂的情況發(fā)生�！�

△3D打印機(jī)金屬合金打印機(jī)的典型激光器劇烈振蕩，形成“J”形鎖孔，這種鎖孔不穩(wěn)定，經(jīng)常塌陷，留下孔隙（頂部）。當(dāng)施加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)時(shí)（底部），鎖孔保持相對(duì)穩(wěn)定的“I”形，留下的孔隙減少80% 且更小

磁場(chǎng)穩(wěn)定化技術(shù)在金屬合金3D打印中的應(yīng)用前景

在基于激光的金屬合金3D打印過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制的激光束熔化金屬粉末層，從而構(gòu)建出復(fù)雜的固體形狀。這種技術(shù)使得生產(chǎn)具有極高復(fù)雜性的合金部件成為可能，這些部件廣泛應(yīng)用于從鈦合金自行車零件到生物醫(yī)學(xué)假肢等高價(jià)值產(chǎn)品領(lǐng)域。

為了快速形成厚實(shí)的層，激光高度聚焦，激光束厚度大約與人類頭發(fā)絲相當(dāng)，形成一個(gè)熔池。在熔池前端附近，會(huì)形成一個(gè)鎖孔狀的蒸汽凹陷。但是，這個(gè)鎖孔可能會(huì)變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生氣泡，這些氣泡最終會(huì)形成部件中的孔隙，影響打印部件的機(jī)械耐久性。

△首次以空前的細(xì)節(jié)實(shí)時(shí)捕捉了激光3D打印金屬合金過(guò)程中涉及的關(guān)鍵力

該研究的資深作者、倫敦大學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系的Peter Lee教授指出：“盡管鎖孔現(xiàn)象在這些部件上已為人知數(shù)十年，但防止它形成的策略仍然不明確。雖然有時(shí)施加磁場(chǎng)被發(fā)現(xiàn)有所幫助，但結(jié)果卻無(wú)法重復(fù)，并且作用機(jī)制也存在爭(zhēng)議。在這項(xiàng)研究中，我們能夠以前所未有的細(xì)節(jié)捕捉到每秒超過(guò)100萬(wàn)幀的圖像，分別在有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)的情況下觀察制造過(guò)程。我們的發(fā)現(xiàn)表明，熱電力可以顯著降低鎖孔孔隙率。實(shí)際上，這意味著我們擁有了制造更高品質(zhì)3D打印組件所需的知識(shí)，這些組件將具有更長(zhǎng)的使用壽命，并可能擴(kuò)展到從航空航天到一級(jí)方程式賽車等新的安全關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域�！�

在將這項(xiàng)研究的見(jiàn)解應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)之前，制造商必須解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以便將磁場(chǎng)整合到生產(chǎn)線上。作者認(rèn)為，盡管這一轉(zhuǎn)變可能需要數(shù)年時(shí)間，但它的潛在的影響將是巨大的。

這項(xiàng)研究的資深作者，格林威治大學(xué)的Andrew Kao教授解釋道：“我們的研究揭示了在這一制造過(guò)程中涉及的物理力，特別是表面張力與粘性力之間的復(fù)雜動(dòng)態(tài)關(guān)系。施加磁場(chǎng)會(huì)干擾這種動(dòng)態(tài)平衡，并引入電磁阻尼和熱電動(dòng)勢(shì)，而在本研究中，后者有助于穩(wěn)定制造過(guò)程。借助這一強(qiáng)大的新工具，我們可以控制熔體流動(dòng)，而無(wú)需改變?cè)�料或激光束的形狀。我們�?duì)如何利用這一工具開(kāi)發(fā)適用于各種最終用途的獨(dú)特微結(jié)構(gòu)感到非常興奮。無(wú)論是制造人工髖關(guān)節(jié)還是電動(dòng)汽車的電池組，增材制造的改進(jìn)都將使生產(chǎn)更高質(zhì)量、更快速、更經(jīng)濟(jì)的3D打印組件成為可能�！�

這項(xiàng)研究得到了英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）和皇家工程院的支持。