通过破解金属3D打印难题研究人员推动该技术走向广泛应用

研究人员尚未将金属的增材制造(或3D打印)完全归结为一门科学。我们对该过程中金属内部发生的情况的理解存在差距，导致结果不一致。但是，一项新的突破可以使对金属3D打印的掌握程度达到前所未有的水平。

美国国家标准与技术研究院(NIST)、瑞典KTH皇家理工学院和其他机构的研究人员使用两种不同的粒子加速器设备，在3D打印过程中观察钢铁熔化和凝固的内部结构。研究结果发表在ActaMaterialia上，为3D打印专业人士开启了一种计算工具，使他们能够更好地预测和控制打印部件的特性，从而有可能提高该技术在大规模制造中的一致性和可行性。

打印金属件的一种常见方法基本上是用激光将粉末金属池逐层焊接成所需的形状。在用金属合金打印的第一步中，材料会迅速升温和冷却，其原子——可能是不同元素的零星——堆积成有序的晶体结构。晶体决定了打印部件的特性，例如韧性和耐腐蚀性。可以出现不同的晶体结构，每个都有自己的优点和缺点。

“基本上，如果我们能够在印刷过程的初始步骤中控制微观结构，那么我们就可以获得所需的晶体，并最终确定增材制造零件的性能，”该研究的合著者NIST物理学家张凡说。

正在运行的激光粉末床融合型3D打印机。激光粉末床熔合添加连续的金属粉末层，然后使用激光将每一层熔化到正在创建的零件上。图片来源：美国国家标准技术研究院

虽然印刷工艺浪费的材料更少，并且可以用来生产比传统制造方法更复杂的形状，但研究人员一直在努力掌握如何引导金属朝着特定种类的晶体发展。

这种知识的缺乏导致了不太理想的结果，例如形状复杂的零件由于其晶体结构而过早开裂。

“在通常制造的数千种合金中，只有少数可以使用增材制造制造，”张说。

科学家面临的部分挑战是金属3D打印过程中的凝固发生在眨眼之间。

为了捕捉高速现象，这项新研究的作者在阿贡国家实验室的高级光子源和保罗谢尔研究所的瑞士光源中使用了由循环粒子加速器(称为同步加速器)产生的强大X射线。

该团队试图了解可由激光功率和运动设置控制的金属冷却速率如何影响晶体结构。然后，研究人员将这些数据与1980年代开发的描述合金凝固的广泛使用的计算模型的预测进行比较。

虽然该模型在传统制造过程中值得信赖，但对于它在3D打印快速温度变化的独特环境中的适用性，评委们一直持怀疑态度。

“同步加速器实验既耗时又昂贵，所以你不能针对你感兴趣的每一种条件都运行它们。但它们对于验证模型非常有用，然后你可以使用这些模型来模拟有趣的条件，”研究合著者Greta说。Lindwall，KTH皇家理工学院材料科学与工程副教授。

在同步加速器内，作者为热作工具钢设置了增材制造条件——顾名思义，一种用于制造耐高温工具的金属。

当激光将金属液化并出现不同的晶体时，X射线束以足够的能量和速度探测样品，以生成转瞬即逝过程的图像。团队成员需要两个独立的设施来支持他们想要测试的冷却速率，温度范围从每秒数万到超过一百万开尔文。

研究人员收集的数据描述了奥氏体和铁素体两种晶体结构之间的推拉关系，后者与打印部件的开裂有关。随着冷却速度超过每秒150万开尔文(270万华氏度)，奥氏体开始主导其竞争对手。这个临界阈值与模型预测的一致。

“模型和实验数据非常吻合。当我们看到结果时，我们真的很兴奋，”张说。

该模型长期以来一直是传统制造中材料设计的可靠工具，现在3D打印领域可能会得到同样的支持。

结果表明，该模型可以告知科学家和工程师为印刷过程的早期凝固步骤选择什么样的冷却速率。这样，最佳的晶体结构就会出现在他们想要的材料中，从而使金属3D打印不再像掷骰子那样简单。

“如果我们有数据，我们可以用它来验证模型。这就是加速增材制造在工业领域的广泛采用的方式，”张说。