剑桥大学研究人员使用激光“加热和敲打”3D打印钢

科技
2023-11-03
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据剑桥大学称,研究人员开发了一种3D打印金属的新方法,可以帮助降低成本并更有效地利用资源。该方法由剑桥大学领导的研究团队开发,允许在3D打印过程中将结构修饰“编程”到金属合金中 - 微调其性能,而无需使用数千年的“加热和敲打”过程。  

 

新的3D打印方法结合了两个世界的最佳品质:3D打印使复杂的形状成为可能,以及传统方法允许的金属结构和性能的工程设计能力。研究结果发布在《自然通讯》杂志上。   

“3D打印前景广阔,但它仍然没有在工业中得到广泛应用,主要是因为生产成本高,”领导这项研究的剑桥大学工程系的Matteo Seita博士说。“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打浆的过程制成的。这种方法,用锤子将材料硬化并通过火软化,使制造商能够将金属塑造成所需的形状,同时赋予柔韧性或强度等物理特性。   

“加热和打浆之所以如此有效,是因为它改变了材料的内部结构,从而可以控制其性能,”Seita说。“这就是为什么它在几千年后仍在使用。   

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,这就是为什么需要进行如此多的后期制作更改的原因。“我们正试图想出一些方法来恢复一些结构工程能力,而无需加热和敲打,这反过来将有助于降低成本,”Seita说。“如果你能控制你想要的金属特性,你就可以利用3D打印的绿色方面。   

Seita与新加坡、瑞士、芬兰和澳大利亚的同事合作,开发了一种新的3D打印金属“配方”,可以在材料被激光熔化时对材料的内部结构进行高度控制。   

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,金属被设计为坚固而坚韧,因此它们可以安全地用于结构应用。3D打印金属本身就很坚固,但通常也很脆。   

研究人员开发的策略通过在相对较低的温度下将3D打印金属部件放置在熔炉中时触发微观结构的受控重新配置,从而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,但对工艺进行了一些小的调整。   

“我们发现激光可以用作'微观锤',在3D打印过程中硬化金属,”Seita说。“然而,用相同的激光第二次熔化金属会放松金属的结构,从而在将零件放入熔炉时进行结构重新配置。”   

他们的3D打印钢是经过理论设计和实验验证的,由坚固和坚韧的材料交替区域制成,使其性能可与通过加热和打浆制成的钢相媲美。   

“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,”Seita说。“在不久的将来,我们还希望能够绕过炉内的低温处理,进一步减少在工程应用中使用3D打印零件之前所需的步骤。   

该团队包括来自南洋理工大学、科学技术研究局、Paul Scherrer研究所、芬兰VTT技术研究中心和澳大利亚核科学技术组织的研究人员。Matteo Seita是剑桥大学圣约翰学院的研究员。

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