伦敦大学和格林威治大学的研究人员开发了一种新技术，未来有一天，飞机和一级方程式赛车的安全关键部件可以通过3D打印出来，从而大大减少制造过程中的缺陷。

该技术是该团队利用先进的X射线成像技术观察复杂3D打印金属合金部件中形成缺陷的原因后开发的。如果该技术得到广泛应用，它可以使从人工髋关节到飞机部件等一系列部件更坚固、更耐用。

这项研究发表在《科学》杂志上，以前所未有的细节实时观察了基于激光的金属合金3D打印过程中所起的作用力。

为此，研究小组在芝加哥先进光子源（APS）同步加速器上对制造过程进行了高速同步X射线成像，以记录激光束和金属原材料在不到千分之一秒的时间内复杂的相互作用。

这样，他们就能够看到由于激光熔化金属合金时产生的蒸汽而在组件中形成小的锁孔状孔隙，以及造成锁孔不稳定的原因，从而导致3D打印部件出现缺陷。

随后，研究小组在零件形成过程中对金属合金施加磁场，观察了制造过程，并推测这可能有助于稳定激光撞击熔融金属的点，从而减少缺陷。

事实证明这一理论是正确的，在施加适当磁场的情况下，打印部件中的孔隙形成减少了80%。

这项研究的第一作者、伦敦大学机械工程系的Xianqiang Fan博士说：“当激光加热金属时，金属会变成液体，但也会产生蒸汽。这种蒸汽会形成一股羽流，将熔融的金属推开，形成一个J形凹陷。表面张力会导致凹陷处出现波纹，凹陷的底部会断裂，导致成品部件出现孔隙。”

“当我们在这个过程中施加磁场时，热电力会引起流体流动，有助于稳定黑洞，使其呈现‘I’形，并且当它波动时不会有尾巴断裂。”

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，形成复杂的固体形状。这使得生产具有无与伦比复杂性的合金部件成为可能，可用于从钛合金自行车零件到生物医学假肢等各个领域的高价值产品。

为了快速获得厚层，激光高度聚焦，厚度约为人类头发的厚度，形成一个熔池，熔池前端附近有一个锁孔状的蒸汽凹陷。然而，这个锁孔可能不稳定，会产生气泡，这些气泡会变成最终部件中的孔隙，影响机械耐久性。

这项研究的资深作者、伦敦大学机械工程系的Peter Lee教授表示：“尽管几十年来人们已经知道这类部件上的锁孔，但防止其形成的策略仍然鲜为人知。有一件事已被证明偶尔会有所帮助，那就是施加磁场，但结果无法重复，而且其作用机制也存在争议。”

在这项研究中，我们通过每秒超过10万次的速率捕捉图像，以前所未有的细节观察制造过程，从而表明热电力可用于显著降低锁孔孔隙率。

“实际上，这意味着我们拥有所需的知识，可以创建更高质量的3D打印组件，这些组件的使用寿命将更长，并可扩展到从航空航天到F1等新的安全关键应用领域。”

在这项研究的见解得以应用之前，制造商需要克服一些技术挑战，才能将磁场融入生产线。作者表示，这一转变可能需要几年时间，但这样做的影响将是巨大的。

这项研究的资深作者、格林威治大学教授Andrew Kao表示：“我们的研究揭示了此类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态关系。施加磁场会破坏这种动态关系，并进一步引入电磁阻尼和热电动势，在这项研究中，后者有助于稳定该过程。”

借助这一强大的新工具，我们可以控制熔体流动，而无需修改原料或激光束形状。我们非常高兴看到如何应用这一工具开发适合一系列最终用途应用的独特微结构。

“无论是制造人工髋关节还是电动汽车的电池组，增材制造技术的改进都将使生产质量更高的3D打印组件更快、成本更低。”这项研究得到了英国工程与物理研究委员会（EPSRC）和皇家工程院的支持。