突破：金屬3D打印粉末對(duì)激光吸收率高達(dá)70%，新型納米級(jí)表面蝕刻技術(shù)

2024年10月10日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員與學(xué)術(shù)界合作伙伴共同宣布，在金屬增材制造領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們開發(fā)出一種創(chuàng)新技術(shù)，通過(guò)在金屬粉末上創(chuàng)建納米級(jí)表面特征，顯著增強(qiáng)了在3D打印過(guò)程中的光吸收率。這項(xiàng)技術(shù)尤其對(duì)銅和鎢等高反射率材料的打印效率和質(zhì)量提升具有重大意義。

技術(shù)研發(fā)背景

3D打印技術(shù)已經(jīng)革新了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造流程，能夠生產(chǎn)出傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀和定制組件。盡管如此，激光粉末床熔合（LPBF）金屬3D打印技術(shù)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是某些金屬的高反射性，這限制了激光能量的有效吸收，可能導(dǎo)致打印效率低下，甚至損壞打印機(jī)。

為了克服這一難題，由LLNL、斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家組成的國(guó)際研究小組，開發(fā)了一種獨(dú)特的濕化學(xué)蝕刻工藝。這項(xiàng)工藝能夠改變傳統(tǒng)金屬粉末的表面特性，通過(guò)創(chuàng)建納米級(jí)凹槽和紋理，顯著提高粉末對(duì)激光的吸收率。研究人員指出，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，粉末的吸收率可提高多達(dá)70%。這一進(jìn)步有望在激光熔化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更高效的能量傳遞，從而提高打印質(zhì)量并降低能耗。

LLNL的創(chuàng)新表面處理方法

目前，普遍認(rèn)為使用標(biāo)準(zhǔn)商用激光機(jī)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)純銅金屬增材制造。聯(lián)合主要作者、LLNL材料科學(xué)家Philip DePond表示：“我們的方法結(jié)合了傳統(tǒng)表面處理技術(shù)來(lái)提高吸收率，同時(shí)避免損害銅的純度或其關(guān)鍵材料特性，如高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性�！�

更重要的是，我們揭示了激光與粉末的相互作用超出了熔池區(qū)域。這一點(diǎn)已在LLNL進(jìn)行的高保真模擬中得到證實(shí)，盡管實(shí)驗(yàn)中尚未詳細(xì)描述。我們不僅證明了這些相互作用的存在，還展示了它們對(duì)過(guò)程的潛在益處。

研究人員指出，濕蝕刻技術(shù)雖然簡(jiǎn)單，但效果顯著。該團(tuán)隊(duì)將銅和鎢等金屬粉末浸入特制溶液中，選擇性地去除表面材料，從而形成復(fù)雜的納米級(jí)特征，并增強(qiáng)粉末對(duì)激光的吸收能力。為了表征蝕刻粉末的表面特征，研究人員采用了*成像技術(shù)，包括同步加速器X射線納米斷層掃描，該技術(shù)提供了粉末顆粒的詳細(xì)3D表示，使團(tuán)隊(duì)能夠分析并準(zhǔn)確模擬納米級(jí)修改的電磁影響。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛實(shí)驗(yàn)，以證明吸收率提高的機(jī)制，并將其歸因于改性粉末。使用位于LLNL先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室和MIRILIS激光材料相互作用實(shí)驗(yàn)室的定制LPBF系統(tǒng)進(jìn)行了工藝優(yōu)化研究，并*終完成了批量和復(fù)雜樣品的打印。

新技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率、低成本純銅與鎢3D打印

該團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，他們成功實(shí)現(xiàn)了以較低能量輸入打印高純度銅和鎢結(jié)構(gòu)：銅的能量輸入低于100 J/mm3，接近高密度鈦和不銹鋼合金的范圍；而鎢的能量輸入約為700 J/mm3，比傳統(tǒng)方法減少了約1/3。

DePond解釋說(shuō)：“從更廣泛的角度來(lái)看，我們的方法實(shí)現(xiàn)了在不損害3D打印系統(tǒng)本身的情況下打印銅。此外，工藝參數(shù)窗口變得更加寬廣，這使得我們能夠探索更廣泛的掃描條件，這對(duì)于打印復(fù)雜幾何形狀至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，為了處理銅和其他高反射材料，少數(shù)機(jī)器制造商甚至研發(fā)了全新的機(jī)器。這些機(jī)器的成本幾乎是傳統(tǒng)機(jī)器的兩倍，因此打印這些材料的門檻非常高。”

這項(xiàng)研究的潛在應(yīng)用可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生顯著影響。研究人員指出，降低打印過(guò)程的能源消耗不僅能降低運(yùn)營(yíng)成本，還能*小化制造過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，并為新的生產(chǎn)者群體提供銅3D打印的可能。

能源安全計(jì)劃負(fù)責(zé)人Dan Flowers表示：“這種方法甚至能讓激光功率輸出較低的商用機(jī)器打印銅，從而使得該技術(shù)更加普及，并為更廣泛的社區(qū)提供使用機(jī)會(huì)。”他補(bǔ)充道，他希望這項(xiàng)工作能夠激勵(lì)工業(yè)界在先進(jìn)制造業(yè)中更廣泛地利用銅。

Flowers說(shuō)：“更高效的銅打印不僅支持了熱交換和催化技術(shù)，還促進(jìn)了眾多清潔能源和脫碳技術(shù)的發(fā)展。LLNL社區(qū)和我們的低碳能源使命將從這種能力中受益。”

通過(guò)增強(qiáng)吸收率和改進(jìn)粉末動(dòng)力學(xué)，研究人員還能夠生產(chǎn)出具有更大相對(duì)密度的高質(zhì)量打印部件。在實(shí)驗(yàn)中，他們以低于其他打印銅部件一半的能量實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的相對(duì)密度，而在更高的能量輸入下，甚至達(dá)到了99%以上的相對(duì)密度，這表明有潛力生產(chǎn)出更加堅(jiān)固和耐用的金屬部件。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將研究納米紋理對(duì)粉末元素混合的影響，例如在通常需要截然不同能量輸入才能熔化的不同材料之間。

論文原文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0003