2025年2月24日，伦敦大学学院(UCL)和格林威治大学的研究人员开发了一种新的3D打印技术，可大幅减少制造过程中的缺陷。如果这项技术得到广泛应用，它可以使一系列部件（从人工髋关节到飞机部件）更坚固、更耐用。
磁场稳定技术提升3D打印金属部件质量
这项研究首次以空前的细节实时捕捉了激光3D打印金属合金过程中涉及的关键力。研究小组利用芝加哥先进光子源（APS）同步加速器的高速同步加速器X射线成像技术，记录了激光束与金属原料在不到千分之一秒内的复杂相互作用。
通过这种方式，研究者们得以观察到激光熔化金属合金时产生的蒸汽如何在组件中形成小的锁孔状孔隙，以及导致这些锁孔不稳定的具体原因，进而导致3D打印部件出现缺陷。随后，研究团队探索了在零件成型过程中对金属合金施加磁场的制造策略。他们推测，这可能有助于稳定激光击中熔融金属的区域，从而减少缺陷。实验结果证实了这一假设，在施加适当的磁场后，打印部件中的孔隙形成减少了80%。
伦敦大学学院机械工程系的研究负责人Xianqiang Fan博士解释道：“激光加热金属时，金属会熔化，同时产生蒸汽。蒸汽形成羽流，推动熔融金属，形成J形凹陷。表面张力引起的凹陷处的波纹会在底部断裂，导致成品部件出现孔隙。当我们在这个过程中施加磁场时，热电力引发的流体流动有助于稳定孔隙，使它更接近于‘I’形。当出现波纹时，就不会有尾部断裂的情况发生。”
△3D打印机金属合金打印机的典型激光器剧烈振荡，形成“J”形锁孔，这种锁孔不稳定，经常塌陷，留下孔隙（顶部）。当施加适当的磁场时（底部），锁孔保持相对稳定的“I”形，留下的孔隙减少80% 且更小
磁场稳定化技术在金属合金3D打印中的应用前景
在基于激光的金属合金3D打印过程中，计算机控制的激光束熔化金属粉末层，从而构建出复杂的固体形状。这种技术使得生产具有极高复杂性的合金部件成为可能，这些部件广泛应用于从钛合金自行车零件到生物医学假肢等高价值产品领域。
为了快速形成厚实的层，激光高度聚焦，激光束厚度大约与人类头发丝相当，形成一个熔池。在熔池前端附近，会形成一个锁孔状的蒸汽凹陷。但是，这个锁孔可能会变得不稳定，产生气泡，这些气泡最终会形成部件中的孔隙，影响打印部件的机械耐久性。
△首次以空前的细节实时捕捉了激光3D打印金属合金过程中涉及的关键力
该研究的资深作者、伦敦大学学院机械工程系的Peter Lee教授指出：“尽管锁孔现象在这些部件上已为人知数十年，但防止它形成的策略仍然不明确。虽然有时施加磁场被发现有所帮助，但结果却无法重复，并且作用机制也存在争议。在这项研究中，我们能够以前所未有的细节捕捉到每秒超过100万帧的图像，分别在有磁场和无磁场的情况下观察制造过程。我们的发现表明，热电力可以显著降低锁孔孔隙率。实际上，这意味着我们拥有了制造更高品质3D打印组件所需的知识，这些组件将具有更长的使用寿命，并可能扩展到从航空航天到一级方程式赛车等新的安全关键应用领域。”
在将这项研究的见解应用于实际生产之前，制造商必须解决一些技术挑战，以便将磁场整合到生产线上。作者认为，尽管这一转变可能需要数年时间，但它的潜在的影响将是巨大的。
这项研究的资深作者，格林威治大学的Andrew Kao教授解释道：“我们的研究揭示了在这一制造过程中涉及的物理力，特别是表面张力与粘性力之间的复杂动态关系。施加磁场会干扰这种动态平衡，并引入电磁阻尼和热电动势，而在本研究中，后者有助于稳定制造过程。借助这一强大的新工具，我们可以控制熔体流动，而无需改变原料或激光束的形状。我们对如何利用这一工具开发适用于各种最终用途的独特微结构感到非常兴奋。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、更快速、更经济的3D打印组件成为可能。”
这项研究得到了英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）和皇家工程院的支持。
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