根据伦敦大学学院（UCL）的说法，来自UCL和格林威治大学的一组研究人员开发了一种新的3D打印技术，大大减少了制造过程中的缺陷。该技术是在该团队使用先进的X射线成像观察复杂3D打印金属合金部件中形成的缺陷原因后开发的。如果这项技术得到广泛应用，它可以使一系列这些组件——从人工髋关节到飞机零件——更坚固、更耐用。
这项发表在《科学》杂志上的研究以前所未有的细节和实时性观察了金属合金激光3D打印过程中的力。为此，该团队在芝加哥的先进光子源（APS）同步加速器上对制造过程进行了高速同步加速器X射线成像，以记录激光束和金属原材料在远小于千分之一秒的时间尺度上的复杂相互作用。
这使他们能够看到，由于激光熔化金属合金时产生的蒸汽，在组件中产生了小的钥匙孔形状的孔，以及钥匙孔不稳定导致3D打印零件缺陷的原因。
然后，研究小组观察了在零件形成时向金属合金施加磁场的制造过程，他们假设这可能有助于稳定激光撞击熔融金属的点，从而减少缺陷。这一理论被证明是正确的，在施加适当磁场的情况下，印刷部件的孔隙形成减少了80%。
“当激光加热金属时，它会变成液体，但也会产生蒸汽。这种蒸汽会形成一股羽流，将熔融金属推开，形成一个J形凹陷。表面张力会在凹陷中产生波纹，凹陷底部会断裂，导致成品部件出现孔隙，”伦敦大学机械工程学院这项研究的第一作者范先强博士说。“当我们在这个过程中施加磁场时，热电力会引起流体流动，有助于稳定孔，使其看起来像一个‘I’形，波纹时没有尾部断裂。”
在基于激光的金属合金3D打印中，计算机控制的激光熔化金属粉末层以形成复杂的固体形状。这使得合金部件的生产具有无与伦比的复杂性，可用于从钛自行车零件到生物医学假肢等广泛领域的高价值产品。
为了快速获得厚层，激光高度聚焦到大约人类头发的厚度，在前部附近形成一个钥匙孔形蒸汽凹陷的熔池。然而，这个钥匙孔可能不稳定，并会产生气泡，在最终组件中变成孔隙，从而影响机械耐久性。
伦敦大学学院机械工程学院这项研究的资深作者彼得·李教授说：“尽管几十年来，人们已经知道这些类型的部件中存在钥匙孔，但防止其形成的策略在很大程度上仍然未知。有一件事被证明偶尔会有所帮助，那就是施加磁场，但结果是不可重复的，其工作机制也存在争议。在这项研究中，我们能够通过每秒100000多次的图像（无论是否有磁铁）来观察制造过程，从而以前所未有的细节来证明热电力可用于显著降低钥匙孔孔隙率。实际上，这意味着我们拥有创造更高质量的3D打印部件所需的知识，这些部件将使用更长时间并扩展。”从航空航天到一级方程式，用于新的安全关键应用。”
在应用这项研究的见解之前，制造商需要克服几个技术挑战，将磁场纳入其生产线。作者表示，这种翻译可能需要几年时间，但这样做的影响将是巨大的。
格林威治大学该研究的资深作者Andrew Kao教授说：“我们的研究揭示了这种制造中涉及的物理力，其中表面张力和粘性力之间存在复杂的动力学。施加磁场会破坏这一点，并进一步引入电磁阻尼和热电力，在这项工作中，后者有助于稳定这一过程。”。“有了这个新的强大工具，我们可以控制熔体流动，而不需要修改原料或激光束形状。我们很高兴看到我们如何应用这个工具来开发针对一系列最终用途应用量身定制的独特微观结构。无论是制造人工髋关节还是电动汽车的电池组，增材制造的改进都将使生产更高质量的3D打印部件更快、更便宜。”
这项研究得到了英国EPSRC和皇家工程院的支持。
