像这种用于钛合金自行车零件或髋臼杯这样的金属关节置换件的3D打印技术正在发生革命性的变化。让它们变得更轻、更坚固，可以实现新一代的设计。　　由伦敦大学学院（UCL）和格林威治大学（University of Greenwich）的研究人员开发的一项新技术可以大大减少3D打印制造过程中的瑕疵。这项技术是研究小组利用先进的X射线成像技术，观察复杂的3D打印金属合金部件产生瑕疵的原因后开发出来的。如果这项技术得到广泛应用，就能使从人工髋关节到飞机部件等一系列部件更加坚固耐用。　　这项发表在《科学》（Science）杂志上的研究以前所未有的详细程度，实时观察了基于激光的金属合金三维打印过程中的作用力。　　为此，研究小组在芝加哥的先进光子源（APS）同步加速器上对制造过程进行了高速同步X射线成像，以记录激光束与金属原材料之间复杂的相互作用，其时间尺度远远小于千分之一秒。这样，他们就能看到激光熔化金属合金时产生的蒸汽在部件中形成的小钥匙孔状气孔，以及导致3D打印部件缺陷的气孔不稳定的原因。　　研究小组随后观察了在部件成型时对金属合金施加磁场的制造过程，他们假设磁场可能有助于稳定激光击中熔融金属的点，从而减少瑕疵。事实证明这一理论是正确的，在施加适当磁场的情况下，打印出的部件孔隙减少了80%。　　这项研究的第一作者、英国伦敦大学机械工程学院的范先强博士说：“当激光加热金属时，金属变成液态，但也会产生蒸汽。这些蒸汽形成一股烟流，将熔融金属推开，形成一个J形凹陷。表面张力使凹陷处产生波纹，底部断裂，从而在成品部件中形成孔隙。当我们在这一过程中施加磁场时，热电力会导致流体流动，从而有助于稳定孔洞，使其类似于I形，在熔融金属形成涟漪时没有尾部断裂。”　　在基于激光的金属合金三维打印中，计算机控制的激光熔化金属粉末层形成复杂的固体形状。这使得合金部件的生产具有无与伦比的复杂性，可用于从钛合金自行车零件到生物医学假肢等广泛领域的高价值产品。　　为了以较快的速度获得较厚的沉积层，激光被高度集中到约一根头发丝的粗细度，在前端附近形成一个带有钥匙孔状蒸汽凹陷的熔池。然而，这种“钥匙孔”可能不稳定，会产生气泡，成为成型部件中的气孔，影响机械耐久性。　　这项研究的资深作者、伦敦大学洛杉矶分校机械工程系彼得·李（Peter Lee）教授说：“虽然人们对这类部件中的‘钥匙孔’样孔隙已经了解了几十年，但防止其形成的方法在很大程度上仍是未知数。有一种方法偶尔会有帮助，那就是施加磁场，但其结果并不具有可重复性，而且其作用机制也存在争议。在这项研究中，我们通过每秒捕捉10万次以上的图像，以前所未有的细节观察了制造过程，包括使用磁铁和不使用磁铁的情况，结果表明热电力可以用来显著减少‘钥匙孔’样孔隙率。这意味着我们掌握了制造更高质量的3D打印部件所需的知识，这些部件的使用寿命将更长，并可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。”　　在应用这项研究的成果之前，制造商需要克服几个技术难题，才能将磁场纳入生产线。研究人员表示，这一转变可能需要数年时间，但这样做的影响将是巨大的。　　这项研究的资深作者、格林威治大学的安德鲁·高（Andrew Kao）教授说：“我们的研究揭示了这类制造所涉及的物理力，其中表面张力和粘性力之间存在着错综复杂的动态关系。磁场的应用扰乱了这一过程，并进一步引入了电磁阻尼力和热电力，在这项工作中，热电力起到了有益的稳定过程的作用。利用这一新的强大工具，我们可以控制熔体流动，而无需改变原材料或激光束形状。我们非常期待看到如何应用这一工具开发出适合各种终端应用的独特微结构。无论是制造人造髋关节还是电动汽车的电池组，增材制造技术的改进将使3D打印部件的生产更快、更便宜，而且质量更高。” （航柯）