倫敦大學(xué)學(xué)院利用磁場穩(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)的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，可大幅減少制造過程中的缺陷。如果這項技術(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)到飛機部件）更堅固、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程中小孔不穩(wěn)定性磁調(diào)制”（傳送門）

磁場穩(wěn)定技術(shù)提升3D打印金屬部件質(zhì)量

這項研究首次以空前的細節(jié)實時捕捉了激光3D打印金屬合金過程中涉及的關(guān)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(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。

通過這種方式，研究者們得以觀察到激光熔化金屬合金時產(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，進而導(dǎo)致3D打印部件出現(xiàn)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(wěn)定激光擊中熔融金屬的區(qū)域，從而減少缺陷。實驗結(jié)果證實了這一假設(shè)，在施加適當(dāng)?shù)拇艌龊�，打印部件中的孔隙形成減少了80%。

倫敦大學(xué)學(xué)院機械工程系的研究負責(zé)人Xianqiang Fan博士解釋道：“激光加熱金屬時，金屬會熔化，同時產(chǎn)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(dǎo)致成品部件出現(xiàn)孔隙。當(dāng)我們在這個過程中施加磁場時，熱電力引發(fā)的流體流動有助于穩(wěn)定孔隙，使它更接近于‘I’形。當(dāng)出現(xiàn)波紋時，就不會有尾部斷裂的情況發(fā)生�！�

△3D打印機金屬合金打印機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)拇艌鰰r（底部），鎖孔保持相對穩(wěn)定的“I”形，留下的孔隙減少80% 且更小

磁場穩(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打印過程中，計算機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)假肢等高價值產(chǎn)品領(lǐng)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(fā)絲相當(dāng)，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(wěn)定，產(chǎn)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。

△首次以空前的細節(jié)實時捕捉了激光3D打印金屬合金過程中涉及的關(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。雖然有時施加磁場被發(fā)現(xiàn)有所幫助，但結(jié)果卻無法重復(fù)，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(jié)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域�！�

在將這項研究的見解應(yīng)用于實際生產(chǎn)之前，制造商必須解決一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以便將磁場整合到生產(chǎn)線上。作者認為，盡管這一轉(zhuǎn)變可能需要數(shù)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(xué)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(fù)雜動態(tài)關(guān)系。施加磁場會干擾這種動態(tài)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(wěn)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(fā)適用于各種最終用途的獨特微結(jié)構(gòu)感到非常興奮。無論是制造人工髖關(guān)節(jié)還是電動汽車的電池組，增材制造的改進都將使生產(chǎn)更高質(zhì)量、更快速、更經(jīng)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(xué)研究委員會（EPSRC）和皇家工程院的支持。