使用激光“加熱并敲打”3D打印鋼材有助于降低成本
時間：2023-11-02 09:18 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：研究人員開發了一種3D打印金屬的新方法，有助于降低成本并更有效地利用資源。
2023年11月2日，這種方法是由劍橋大學領導的研究團隊開發的，它允許在3D打印過程中將結構性修改“編程”到金屬合金中，微調其性能，而無需使用已經使用了數千年的“加熱和錘打”工藝。該研究團隊開發的新方法將兩個領域的最佳品質融合在一起：3D打印實現的復雜形狀與傳統方法允許的金屬結構和性能設計能力。通過控制材料在熔化和凝固過程中的方式以及產生的熱量，研究人員可以對最終材料的特性進行編程。通常情況下，金屬被設計成堅固和耐用，以確保其安全用于結構應用。雖然3D打印的金屬本質上很堅固，但也很脆。
可編程金屬工藝遇到的問題
與其他制造方法相比，3D打印具有多種優勢。例如，利用3D打印可以更輕松地生產復雜的形狀，同時減少了與傳統金屬制造方法相比所需的材料用量，從而提高了生產效率。然而，它也存在顯而易見的缺點。領導這項研究的劍橋大學工程系的Matteo Seita博士表示：“3D打印有廣泛的應用前景，但其成本較高，尤其在工業領域。其中一個主要成本因素是在制造后需要進行的材料調整。”
目前，3D打印技術的一個主要缺點之一是無法以相同的方式控制內部結構，這就是為什么需要進行大量的后期制作修改的原因。 Seita表示：“我們正在努力尋找一些方法，以恢復部分結構工程能力，而不需要依賴加熱和敲打，這將有助于降低成本。如果能夠控制金屬的所需屬性，就可以更好地利用3D打印的環保優勢。”
可編輯金屬工藝的未來
Seita與來自新加坡、瑞士、芬蘭和澳大利亞的同事合作，開發了一種新的金屬3D打印“配方”，能夠在激光熔化材料的過程中高度控制材料的內部結構。研究人員開發的策略通過將3D打印金屬部件放入相對較低溫度的熔爐中觸發微觀結構的受控重構，以完全控制強度和韌性。他們的方法使用傳統的基于激光的3D打印技術，但對流程進行了一些微小的調整。
Seita表示：“我們發現激光可以像‘微型錘子’一樣，在3D打印過程中硬化金屬。然而，當同一激光第二次熔化金屬時，會松弛金屬的結構，從而在將零件放入熔爐時允許結構重新配置。”他們的3D打印鋼經過理論設計和實驗驗證，由強韌材料交替區域制成，其性能可與通過加熱和敲打制成的鋼相媲美。Seita還指出：“我們相信這種方法可以降低金屬3D打印的成本，從而提高金屬制造業的可持續性。未來，我們還希望能夠繞過熔爐中的低溫處理，進一步減少3D打印零件在工程應用中所需的步驟數。”
2023年11月2日，這種方法是由劍橋大學領導的研究團隊開發的，它允許在3D打印過程中將結構性修改“編程”到金屬合金中，微調其性能，而無需使用已經使用了數千年的“加熱和錘打”工藝。該研究團隊開發的新方法將兩個領域的最佳品質融合在一起：3D打印實現的復雜形狀與傳統方法允許的金屬結構和性能設計能力。通過控制材料在熔化和凝固過程中的方式以及產生的熱量，研究人員可以對最終材料的特性進行編程。通常情況下，金屬被設計成堅固和耐用，以確保其安全用于結構應用。雖然3D打印的金屬本質上很堅固，但也很脆。
可編程金屬工藝遇到的問題
與其他制造方法相比，3D打印具有多種優勢。例如，利用3D打印可以更輕松地生產復雜的形狀，同時減少了與傳統金屬制造方法相比所需的材料用量，從而提高了生產效率。然而，它也存在顯而易見的缺點。領導這項研究的劍橋大學工程系的Matteo Seita博士表示：“3D打印有廣泛的應用前景，但其成本較高，尤其在工業領域。其中一個主要成本因素是在制造后需要進行的材料調整。”
△通過設計的微觀結構定制機械性能
自古銅器時代以來，金屬零件的制造一直采用加熱和鍛造的傳統方法。這一方法通過敲打使材料硬化，然后通過加熱使其軟化，使制造商能夠將金屬制成所需的形狀，并賦予其物理特性，例如柔韌性或強度。Seita說：“加熱和敲打之所以如此有效，是因為它改變了材料的內部結構，從而可以控制其性能，這就是為什么它幾千年后仍在使用。”目前，3D打印技術的一個主要缺點之一是無法以相同的方式控制內部結構，這就是為什么需要進行大量的后期制作修改的原因。 Seita表示：“我們正在努力尋找一些方法，以恢復部分結構工程能力，而不需要依賴加熱和敲打，這將有助于降低成本。如果能夠控制金屬的所需屬性，就可以更好地利用3D打印的環保優勢。”
△通過激光粉末床熔合 (LPBF) 實現不銹鋼 316L (SS316L) 的可編程熱穩定性
可編輯金屬工藝的未來
Seita與來自新加坡、瑞士、芬蘭和澳大利亞的同事合作，開發了一種新的金屬3D打印“配方”，能夠在激光熔化材料的過程中高度控制材料的內部結構。研究人員開發的策略通過將3D打印金屬部件放入相對較低溫度的熔爐中觸發微觀結構的受控重構，以完全控制強度和韌性。他們的方法使用傳統的基于激光的3D打印技術，但對流程進行了一些微小的調整。
Seita表示：“我們發現激光可以像‘微型錘子’一樣，在3D打印過程中硬化金屬。然而，當同一激光第二次熔化金屬時，會松弛金屬的結構，從而在將零件放入熔爐時允許結構重新配置。”他們的3D打印鋼經過理論設計和實驗驗證，由強韌材料交替區域制成，其性能可與通過加熱和敲打制成的鋼相媲美。Seita還指出：“我們相信這種方法可以降低金屬3D打印的成本，從而提高金屬制造業的可持續性。未來，我們還希望能夠繞過熔爐中的低溫處理，進一步減少3D打印零件在工程應用中所需的步驟數。”
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