倫敦大學學院利用磁場穩定技術減少3D打印部件中的缺陷
2025年2月24日，倫敦大學學院(UCL)和格林威治大學的研究人員開發了一種新的3D打印技術，可大幅減少制造過程中的缺陷。如果這項技術得到廣泛應用，它可以使一系列部件（從人工髖關節到飛機部件）更堅固、更耐用。
磁場穩定技術提升3D打印金屬部件質量
這項研究首次以空前的細節實時捕捉了激光3D打印金屬合金過程中涉及的關鍵力。研究小組利用芝加哥先進光子源（APS）同步加速器的高速同步加速器X射線成像技術，記錄了激光束與金屬原料在不到千分之一秒內的復雜相互作用。
通過這種方式，研究者們得以觀察到激光熔化金屬合金時產生的蒸汽如何在組件中形成小的鎖孔狀孔隙，以及導致這些鎖孔不穩定的具體原因，進而導致3D打印部件出現缺陷。隨后，研究團隊探索了在零件成型過程中對金屬合金施加磁場的制造策略。他們推測，這可能有助于穩定激光擊中熔融金屬的區域，從而減少缺陷。實驗結果證實了這一假設，在施加適當的磁場后，打印部件中的孔隙形成減少了80%。
倫敦大學學院機械工程系的研究負責人Xianqiang Fan博士解釋道：“激光加熱金屬時，金屬會熔化，同時產生蒸汽。蒸汽形成羽流，推動熔融金屬，形成J形凹陷。表面張力引起的凹陷處的波紋會在底部斷裂，導致成品部件出現孔隙。當我們在這個過程中施加磁場時，熱電力引發的流體流動有助于穩定孔隙，使它更接近于‘I’形。當出現波紋時，就不會有尾部斷裂的情況發生。”
磁場穩定化技術在金屬合金3D打印中的應用前景
在基于激光的金屬合金3D打印過程中，計算機控制的激光束熔化金屬粉末層，從而構建出復雜的固體形狀。這種技術使得生產具有極高復雜性的合金部件成為可能，這些部件廣泛應用于從鈦合金自行車零件到生物醫學假肢等高價值產品領域。
為了快速形成厚實的層，激光高度聚焦，激光束厚度大約與人類頭發絲相當，形成一個熔池。在熔池前端附近，會形成一個鎖孔狀的蒸汽凹陷。但是，這個鎖孔可能會變得不穩定，產生氣泡，這些氣泡最終會形成部件中的孔隙，影響打印部件的機械耐久性。
該研究的資深作者、倫敦大學學院機械工程系的Peter Lee教授指出：“盡管鎖孔現象在這些部件上已為人知數十年，但防止它形成的策略仍然不明確。雖然有時施加磁場被發現有所幫助，但結果卻無法重復，并且作用機制也存在爭議。在這項研究中，我們能夠以前所未有的細節捕捉到每秒超過100萬幀的圖像，分別在有磁場和無磁場的情況下觀察制造過程。我們的發現表明，熱電力可以顯著降低鎖孔孔隙率。實際上，這意味著我們擁有了制造更高品質3D打印組件所需的知識，這些組件將具有更長的使用壽命，并可能擴展到從航空航天到一級方程式賽車等新的安全關鍵應用領域。”
在將這項研究的見解應用于實際生產之前，制造商必須解決一些技術挑戰，以便將磁場整合到生產線上。作者認為，盡管這一轉變可能需要數年時間，但它的潛在的影響將是巨大的。
這項研究的資深作者，格林威治大學的Andrew Kao教授解釋道：“我們的研究揭示了在這一制造過程中涉及的物理力，特別是表面張力與粘性力之間的復雜動態關系。施加磁場會干擾這種動態平衡，并引入電磁阻尼和熱電動勢，而在本研究中，后者有助于穩定制造過程。借助這一強大的新工具，我們可以控制熔體流動，而無需改變原料或激光束的形狀。我們對如何利用這一工具開發適用于各種最終用途的獨特微結構感到非常興奮。無論是制造人工髖關節還是電動汽車的電池組，增材制造的改進都將使生產更高質量、更快速、更經濟的3D打印組件成為可能。”
這項研究得到了英國工程與物理科學研究委員會（EPSRC）和皇家工程院的支持。
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