巨型 X 射线设施显示磁铁可以减少 3D 打印组件中的缺陷

该技术是在团队使用先进的X射线成像观察复杂3D打印金属合金组件中缺陷形成原因后开发出来的。如果该技术广泛应用，则可以使这些组件，从人工髋关节到飞机部件，变得更强大和更耐用。

发表在Science上的研究，以前所未有的细节和实时观察金属合金的激光3D打印过程中的作用力。

为此，团队在位于芝加哥的先进光子源（APS）同步辐射装置上进行了高速同步辐射X射线成像，以记录激光光束与金属原材料之间复杂的相互作用，时间尺度远低于千分之一秒。

这使他们能够看到由于激光熔化金属合金时产生的蒸汽导致组件中形成的小钥匙孔形状的孔洞，以及导致3D打印部件缺陷的不稳定性原因。

然后，团队观察了其形成过程中的金属合金，并施加了磁场，他们假设这可能帮助稳定激光击中熔融金属的点，从而减少缺陷。

这一理论得到了验证，在施加适当磁场的情况下打印的组件中，孔洞形成减少了80%。

UCL机械工程的第一作者Dr Xianqiang Fan表示：”当激光加热金属时，它会变成液态，但也会产生蒸汽。这个蒸汽形成一个气流，迫使熔融金属分开，形成一个J形凹陷。表面张力在凹陷中产生波纹，底部断裂，导致最终组件中出现孔洞。

“当我们在这一过程中施加磁场时，热电力量导致流体流动，有助于稳定孔洞，使其呈现”I”形状，且无尾部在波动时断裂。

在金属合金的激光3D打印中，计算机控制的激光熔化金属粉末的层，以形成复杂的固体形状。这使得在一系列行业中生产具有无与伦比复杂性的合金组件成为可能，从钛自行车零件到生物医学假肢。

为了以快速速度获得厚层，激光被高度聚焦到大约人类头发的厚度，创造了一个熔融池，前部有一个钥匙孔形状的蒸汽凹陷。然而，这个钥匙孔可能不稳定，产生气泡，造成最终组件中的孔洞，影响机械耐久性。

UCL机械工程的资深作者教授Peter Lee表示：”尽管这些类型组件中的钥匙孔孔洞已经被了解了几十年，但防止其形成的策略仍然基本未知。有时会显示有帮助的一个方法是施加磁场，但结果并不具有重复性，其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观察制造过程，通过每秒捕捉超过100,000次图像，无论是否施加磁场，显示热电力量可以显著减少钥匙孔的多孔性。

“在实际条款中，这意味着我们掌握了创造更高质量3D打印组件所需的知识，这些组件将持续更长时间，并扩展到新的安全关键应用，从航空航天到F1。

在这项研究的见解应用之前，制造商需要克服几个技术挑战，将磁场纳入生产线。作者们表示，这一转化可能需要几年时间，但其影响将是显著的。

来自格林威治大学的资深作者教授Andrew Kao表示：”我们的研究揭示了这种制造过程中涉及的物理力量，其中表面张力和粘性力量之间存在复杂的动态关系。施加磁场破坏了这一点，并进一步引入了电磁阻尼和热电力量，而在这项工作中，后者有助于稳定过程。

“有了这个新的强大工具，我们可以控制熔体流动，而无需修改原料或激光束形状。我们非常期待看到如何应用这个工具来开发针对各种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车的电池组，增材制造的改进将使生产3D打印组件的速度更快、成本更低，同时质量更高。

这项研究得到了英国EPSRC和皇家工程院的支持。