概念图展示了研究团队的加工策略如何在激光粉末床融合加工过程中用于操纵金属的空间结构

新的3D打印方法结合了两个领域的最佳品质：3D 打印实现的复杂形状，以及传统方法允许的设计金属结构和性能的能力。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

与其他制造方法相比，3D 打印具有多种优势。例如，使用 3D 打印生产复杂的形状要容易得多，而且比传统金属制造方法使用的材料少得多，这使其成为一种更高效的工艺。然而，它也有明显的缺点。

领导这项研究的剑桥大学工程系的Matteo Seita博士表示：“3D打印有很多前景，但它仍未在工业中得到广泛应用，主要是因为生产成本较高。这些成本的主要驱动因素之一是材料在生产后需要的调整量。”

自青铜时代以来，金属零件都是通过加热和敲打过程制成的。这种方法用锤子使材料硬化，然后用火软化，使制造商可以将金属制成所需的形状，同时赋予其物理特性，例如柔韧性或强度。

加热和敲打之所以如此有效，是因为它改变了材料的内部结构，从而可以控制其性能，这就是为什么它几千年后仍在使用。

当前3D打印技术的主要缺点之一是无法以相同的方式控制内部结构，这就是为什么需要大量的后期制作修改。

研究人员表示：“我们正在尝试想出一些方法来恢复部分结构工程能力，而不需要加热和敲打，这反过来有助于降低成本，如果您可以控制金属的所需属性，您就可以利用3D打印的绿色优势。”

通过控制材料熔化后凝固的方式以及过程中产生的热量，研究人员可以对最终材料的特性进行编程。通常，金属被设计得坚固耐用，因此可以安全地用于结构应用。3D打印金属本质上很坚固，但也很脆。

研究人员开发的策略通过将3D打印金属部件放入相对较低温度的熔炉中时触发微观结构的受控重构，可以完全控制强度和韧性。他们的方法使用传统的基于激光的3D打印技术，但对流程进行了一些小小的调整。

研究人员发现激光可以用作‘微型锤子’，在3D打印过程中硬化金属，然而，用同一激光第二次熔化金属会松弛金属的结构，从而在将零件放入熔炉时允许结构重新配置。他们的3D打印钢经过理论设计和实验验证，由强韧材料交替区域制成，其性能可与通过加热和敲打制成的钢相媲美。

研究人员表示：“我们认为这种方法可以帮助降低金属3D打印的成本，从而提高金属制造业的可持续性。在不久的将来，我们也希望能够绕过熔炉中的低温处理，进一步减少3D打印零件在工程应用中使用之前所需的步骤数。”