新型蚀刻技术增强金属 3D 打印粉末的吸收率

劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究人员及其学术合作伙伴在金属增材制造领域取得了重大进展，开发出一种可增强 3D 打印中使用的金属粉末光吸收率的技术。

研究人员表示，该方法涉及在金属粉末上创建纳米级表面特征，有望提高印刷金属部件的效率和质量，特别是对于铜和钨等具有挑战性的材料。

增材制造 (AM)(通常称为 3D 打印)彻底改变了产品的设计和生产方式，可以创建传统制造方法难以实现的复杂几何形状和定制组件。

然而，激光粉末床熔合 (LPBF) 金属 3D 打印的一个持续挑战是某些金属的高反射率，这会导致打印过程中能量吸收效率低下，甚至会损坏某些打印机。研究人员表示，这种效率低下通常会导致打印质量不佳和能耗增加。

为了正面解决这个问题，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的科学家领导的研究小组在《科学进展》杂志 9 月封面上发表了一项研究成果。该研究引入了一种新颖的湿化学蚀刻工艺，可以改变传统金属粉末的表面。通过创建纳米级凹槽和纹理，研究人员报告称，他们将这些粉末的吸收率提高了 70%，从而可以在激光熔化过程中更有效地传递能量。

“目前，使用标准的商用激光机器，通常认为无法实现高品质纯铜金属 AM，”联合主要作者、LLNL 材料科学家 Philip DePond 表示。“我们的方法结合了传统表面处理的效果(可提高吸收率)，但不会损害铜的纯度或材料特性，即其高导热性和导电性。

“更根本的是，我们表明激光与粉末的相互作用延伸到熔池以外的区域。这已在模拟中得到证实，特别是在 LLNL 进行的高保真模拟，但实验中并没有真正详细阐述。我们证明了这些相互作用是存在的，并且可以对这一过程有益。”

研究人员表示，湿蚀刻技术相对简单，但非常有效。该团队将铜和钨等金属粉末浸入特制的溶液中，选择性地去除表面材料。

这一过程形成了复杂的纳米级特征，增强了粉末吸收激光的能力。为了表征蚀刻粉末的表面特征，研究人员采用了先进的成像技术，包括同步加速器 X 射线纳米断层扫描，该技术提供了粉末颗粒的详细 3D 表示，使团队能够分析和准确模拟纳米级修改的电磁影响。

该团队进行了广泛的实验，以证明吸收率提高的机制并将其归因于改性粉末。使用位于 LLNL 先进制造实验室和 MIRILIS 激光材料相互作用实验室的定制 LPBF 系统进行了工艺优化研究，并最终进行了批量和复杂样品打印。

研究人员表示，金属粉末吸收率的提高对于降低制造业的能源消耗来说是一个有希望的进步，特别是随着对更可持续、更高效的制造工艺的需求不断增长。

该团队的一项重要发现是，他们能够以较低的能量输入打印高纯度铜和钨结构，铜的能量输入低于 100 J/mm 3，这大约是高密度钛和不锈钢合金的能量范围，钨的能量输入约为 700 J/mm 3，比通常使用的能量少约 1/3。

“从广义上讲，我们能够打印铜，而不会损坏 AM 系统本身，”DePond 解释道。“工艺参数窗口也变得更宽，这使得可以探索更广泛的扫描条件，这在打印复杂几何形状时通常是必需的。最后，少数机器制造商甚至不遗余力地制造全新的机器来处理铜和其他高反射材料。这些机器的成本几乎是传统机器的两倍，因此打印这些材料的门槛非常高。”

研究结果的潜在应用可能会对生产产生直接影响。研究人员表示，使用更少的能源进行打印不仅可以降低运营成本，还可以最大限度地减少制造过程对环境的影响，并为全新的生产者群体打开铜 3D 打印的大门。

能源安全计划负责人丹·弗劳尔斯表示：“这种方法甚至可以让激光功率输出相当低的商用机器打印铜，从而使该过程更加民主化，并为更广泛的社区提供使用机会。”他补充说，他希望这项工作将使工业界能够在先进制造业中更好地利用铜。

“从热交换到催化，更高效的铜印刷支持了许多清洁能源和脱碳技术的发展，”弗劳尔斯说。“LLNL 社区和我们的低碳能源使命将从这种能力中受益。”

增强的吸收率和改进的粉末动力学还可以生产出具有更大相对密度的高质量印刷部件。在实验中，研究人员以与其他印刷铜部件相比一半的能量输入实现了高达 92% 的相对密度，以更高的能量输入实现了 99% 以上的相对密度，这表明有可能生产出更坚固、更耐用的金属部件。

该团队接下来将研究纳米纹理对粉末元素混合的影响，例如通常需要截然不同的能量才能熔化的材料。