威斯康星大学麦迪逊分校 (UW-Madison) 的工程师通过同时缓解三种常见缺陷，在金属增材制造领域取得了重大进展。这项由副教授陈连一及其研究团队领导的突破，可能为激光粉末床熔合技术（一种著名的 3D 打印技术）在行业中的更广泛应用铺平道路。
该研究于 2024 年 11 月 16 日发表在《国际机床工具制造杂志》上，详细介绍了团队如何识别机制并优化加工条件以解决长期困扰金属 3D 打印的缺陷。
“以前的研究通常侧重于减少一种缺陷，但这需要使用其他技术来减轻其余类型的缺陷，”陈说。“我们开发了一种可以同时减轻所有缺陷（孔隙、粗糙表面和大飞溅）的方法。此外，我们的方法使我们能够更快地生产零件，而不会影响质量。”
威斯康星大学麦迪逊分校副教授陈连一及其团队使用 nLight 环形激光器进行测试，以促进金属 3D 打印中缺陷的减少。（图片来源：威斯康星大学麦迪逊分校）
克服金属 3D 打印的挑战
金属增材制造能够制造出传统制造无法实现的复杂形状。这使其对航空航天、医疗和能源等行业极具吸引力。然而，孔隙、粗糙表面和大飞溅等缺陷严重限制了 3D 打印金属部件的可靠性和耐用性。
对于不允许零件故障的应用来说，这些缺陷尤其成问题。威斯康星大学麦迪逊分校团队的方法不仅提高了质量，还提高了生产速度，解决了激光粉末床熔合中的两个关键挑战。
环形激光束的作用
这项突破的关键在于用创新的环形激光束取代传统的高斯形激光束，这种激光束由领先的激光技术公司 nLight 提供。这种新的光束形状在减少打印过程中的工艺不稳定性方面发挥了至关重要的作用。
研究人员利用阿贡国家实验室先进光子源的高速同步加速器 X 射线成像技术观察打印过程中的材料行为。结合这些见解与理论分析和数值模拟，该团队确定了减轻缺陷和稳定激光粉末床熔合过程的机制。
提高生产力而不影响质量
环形激光束还能使材料穿透更深，而不会造成不稳定，从而使团队能够打印更厚的金属层。这一调整大大提高了制造效率，同时又不牺牲质量。
陈说：“因为我们了解了背后的机制，所以我们可以更快地确定正确的加工条件，从而使用环形光束生产出高质量的零件。”
这种减少缺陷和提高生产率的结合有可能改变高性能金属零件的制造，特别是对于需要无故障可靠性的行业。
团队合作和创新推动金属 3D 打印向前发展
这项创新工作得益于威斯康星大学麦迪逊分校研究人员的合作，包括 Qilin Guo、Luis Escano、Ali Nabaa 和 Tim Osswald 教授，以及阿贡国家实验室的专家 Samuel Clark 和 Kamel Fezzaa。在美国国家科学基金会和威斯康星校友研究基金会的资助下，该团队解决了金属增材制造中的关键挑战。
通过同时解决孔隙、粗糙表面和飞溅等缺陷，研究人员不仅提高了零件质量，还显著提高了生产率。这一进步为激光粉末床熔合的可靠性和效率树立了新标准，使其更适用于航空航天、医疗和能源等行业的关键应用。
该团队发现的创新环形激光束和缺陷缓解机制有可能推动金属 3D 打印在工业上的更广泛应用，从而提高高质量、无故障组件的生产能力。
来源：engineering.wisc.edu
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