3D打印正在獲得工業(yè)(yè)制造業(yè)(yè)越來(lái)越多的重視，但即便是很多看好3D打印技術(shù)(shù)的制造業(yè)(yè)人士，對3D打印所能實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)(chǎn)品形狀感到樂(lè )觀(guān)，但對3D打印所能實(shí)現(xiàn)的力學(xué)(xué)性能感到疑慮。

不銹鋼是近一百五十年前發(fā)(fā)明的，至今仍受歡迎。它是通過(guò)將鋼鐵本身與鐵和碳（有時(shí)是其他金屬如鎳）的組合進(jìn)行熔煉制成的，并添加了鉻和鉬元素，防止生銹和腐蝕。鉻促進(jìn)了鋼的鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)(tài)的結(jié)果。隨著(zhù)鉬含量的增加，鋼的高溫強度提高，比如持久，蠕變等性能均獲較大改善。

金屬加工是理解冶金領(lǐng)(lǐng)域的一門(mén)深奧學(xué)(xué)問(wèn)，復(fù)雜的一系列冷卻，再加上熱處理和軋制等步驟使材料具有緊密堆積的合金晶粒結(jié)構(gòu)，并且顆粒之間具有薄邊界的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。當金屬彎曲或受到應(yīng)力時(shí)，就容易產(chǎn)(chǎn)生裂縫，但是強大的邊界作用可以阻止這些裂縫的發(fā)(fā)生，使得材料更加堅固，同時(shí)仍然具有足夠的靈活性以形成所需的形狀。

3D打印研究人員長(cháng)期以來(lái)一直試圖制造更堅固的金屬零件。通過(guò)粉末床選擇性金屬熔化技術(shù)(shù)，計算機控制的大功率激光束在金屬表面上前后移動(dòng)。激光熔化的顆粒撞擊并融合在一起，然后粉末床下降進(jìn)行另一層金屬粉末的加工。新熔化的材料結(jié)合到下面的層，通過(guò)重復(fù)這種逐層熔化的方式，工程師們可以構(gòu)建復(fù)雜的形狀，例如火箭及航空發(fā)(fā)動(dòng)機。問(wèn)題是在顯微鏡下，這些不銹鋼零件通常是高度多孔的，并且容易斷裂。

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）聯(lián)(lián)合喬治亞理工大學(xué)(xué)和美國俄勒岡州立大學(xué)(xué)的阿姆斯國家實(shí)驗室的科學(xué)(xué)家們通過(guò)改變加工參數(shù)和過(guò)程控制來(lái)提高零件的力學(xué)(xué)性能。通過(guò)控制激光能量以及采取快速冷卻的過(guò)程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結(jié)果。

科研人員在316L不銹鋼的3D打印領(lǐng)(lǐng)域取得了“突破”，這是一種常見(jiàn)的“海洋級”不銹鋼具有低碳組成。在石油管道、發(fā)(fā)動(dòng)機零件和廚房設(shè)備等場(chǎng)合被廣泛使用，通常具有低腐蝕性和高延展性。令人興奮的是，測試表明堅固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強度和延展性，使其有助于化學(xué)(xué)設(shè)備、醫(yī)療植入物、發(fā)(fā)動(dòng)機零件以及需要其設(shè)備優(yōu)(yōu)異物理性能的各種其他應(yīng)用。

現(xiàn)在，研究人員不僅僅將這種過(guò)程控制工藝應(yīng)用到不銹鋼的加工中，還擴展到其他金屬材料的加工中。他們可以使得3D打印機在不同的尺度上構(gòu)建小型的墻壁單元結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以防止裂縫和其他常見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)(fā)生。 測試顯示，在某些條件下，這些3D打印的不銹鋼零件的強度是傳統(tǒng)制備工藝所實(shí)現(xiàn)的強度的三倍，這一發(fā)(fā)現(xiàn)還發(fā)(fā)表在Nature Materials*上。

賓夕法尼亞州的內(nèi)基梅隆大學(xué)(xué)的機械工程師Rahul Panat表示，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）的發(fā)(fā)現(xiàn)是非常令人興奮的事情。另外，Panat和他的同事們正在通過(guò)市面上購買(mǎi)的3D打印機來(lái)通過(guò)這種方法制造更強的金屬。

這種高強度不銹鋼的獲得可以使得3D打印技術(shù)(shù)不僅可用于航空航天行業(yè)(yè)制造飛機燃料箱，還可以用于核電廠(chǎng)用來(lái)制造高強度壓力管。

3D打印最容易被業(yè)(yè)界記住的是無(wú)?；約八尫諾腦O(shè)計自由度。而通過(guò)3D打印所實(shí)現(xiàn)的材料制備技術(shù)(shù)的提升是當前商業(yè)(yè)界所容易忽視的地方。所幸的是世界范圍內(nèi)，不少的研究機構(gòu)在進(jìn)行通過(guò)3D打印技術(shù)(shù)來(lái)提升材料性能的研究。這些研究結(jié)果將進(jìn)一步擴展3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用空間，刺激金屬3D打印技術(shù)(shù)的市場(chǎng)增長(cháng)。

隨著(zhù)設(shè)備加工技術(shù)(shù)的提升，加之材料的配合以及價(jià)格的合理化，金屬3D打印勢必在產(chǎn)(chǎn)業(yè)(yè)化領(lǐng)(lǐng)域的道路越來(lái)越寬。而對于加工應(yīng)用方來(lái)說(shuō)，要迎接這樣的技術(shù)(shù)浪潮，了解金屬3D打印的冶金加工學(xué)(xué)就成為必修課。

在金屬加工過(guò)程中，發(fā)(fā)生著(zhù)許多微妙的事情。就拿選擇性激光熔化技術(shù)(shù)來(lái)說(shuō)，在激光對粉末的融化加工過(guò)程中，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng )(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來(lái)的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小，從而影響著(zhù)零件的微晶結(jié)構(gòu)。并且，為了熔化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng )(chuàng)建完全致密的部分，但同時(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長(cháng)，影響到周?chē)姆勰?，出現(xiàn)半熔化的粉末，從而產(chǎn)(chǎn)生孔隙的現(xiàn)象。

對于應(yīng)用端來(lái)說(shuō)，除了設(shè)備的配置這樣的剛性條件，冶金性能方面還與金屬3D打印過(guò)程的諸多條件相關(guān)(guān)。加工參數(shù)的設(shè)置、粉末的質(zhì)(zhì)量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控制、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控制情況等等都帶來(lái)了不同的冶金結(jié)果。

通常來(lái)說(shuō)加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個(gè)此起彼長(cháng)的相關(guān)(guān)變量。另外，殘余應(yīng)力是DED以及SLM加工技術(shù)(shù)所面臨的共同話(huà)題，殘余應(yīng)力將影響后處理和機械性能參數(shù)。不過(guò)，根據(jù)對冶金方面的駕馭能力，殘余應(yīng)力也可以用來(lái)幫助促進(jìn)再結(jié)晶和細小的等軸晶組織的形成。

在過(guò)去的五年里,對于金屬打印過(guò)程中微觀(guān)結(jié)構(gòu)的理解和新合金的加工性能已經(jīng)(jīng)獲得了不少的進(jìn)步。同時(shí)還觀(guān)察到微觀(guān)結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)(zhì)性，在這方面通過(guò)表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學(xué)(xué)的進(jìn)一步理解，從而不僅提高金屬3D打印的工藝控制能力，還為材料制備以及后處理提出了新的要求。

相關(guān)(guān)文章：大型塑料3D打印應(yīng)用領(lǐng)(lǐng)域及優(yōu)(yōu)勢

                    酷炫的3D打印自行車(chē)，即將上市

                    3D打印正推動(dòng)新一輪工業(yè)(yè)革命

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)