3D打印为工程师们开辟了令人兴奋的新途径，并迫使产品设计师重新构思可能的东西。在世界任何地方使用先进合金打印复杂金属零件的能力无疑令人印象深刻，但并非没有缺陷。

现在，Heriot Watt大学的科学家与卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室合作，对这一过程有了新的认识，这有望使金属3D打印越来越适合制造商，成为更可持续的选择。

3D打印的技术名称“附加制造”包括多种材料加工技术，其中最广泛采用的是激光粉末床熔接（LPBF）。它的工作原理是将金属粉末颗粒薄层铺开，这些粉末通过高功率激光发出的强烈热量粘合在一起。但这一过程可能导致形成微小的孔隙，从而削弱整体结构。

这是行业的一个主要缺点，尤其是当需要一致的高可靠性组件时。在过去三年中，爱丁堡Heriot Watt大学光子学和量子科学研究所的科学家领导了一个研究项目，研究了LPBF过程背后的基本物理，以及如何利用这一认识来缓解印刷零件中的缺陷。

Heriot Watt光子学和量子科学研究所的副研究员Ioannis Bitharas博士解释说：“我们的研究可视化了激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用。

“在添加剂制造过程中，当粒子融合在一起时，对金属应用高功率激光将产生一小池液态金属。在此阶段，少量金属蒸发并压向液体，在熔融池的中心形成一个空腔。这个空腔通常被称为锁孔，可能变得不稳定和塌陷，导致多孔材料中的es。与此同时，蒸汽从锁孔向上喷射，形成羽流，与粒子相互作用，可能干扰扩散层。

“此类事件会造成散布在整个部件上的微小缺陷，从而导致许多制造商无法接受的材料孔隙率水平。

“我们捕捉到的图像首次提供了此类互动的完整画面，现在我们可以肯定地知道发生了什么。”

通过同时使用X射线和纹影成像，该团队分析了印刷过程中存在的气体、蒸汽、液体和固相之间的相互作用。他们发现，通过金属蒸发释放的蒸汽羽流行为与熔融材料的整体稳定性之间存在直接联系。羽流越活跃，材料越不稳定，越多孔。但通过微调激光参数，如调整其功率、聚焦光斑大小和扫描速度，研究小组发现，它们可以控制羽流和熔池的稳定性，使打印结构更加一致。

利用羽流作为可可视化和监控的“过程特征”，对于依赖高性能组件的各种行业（如航空航天、汽车、医疗保健和国防）而言，具有令人兴奋的新潜力，

安德鲁·摩尔教授领导着Heriot Watt大学光子学和量子科学研究所的光学诊断小组，从一开始就参与了这一研究项目。他说：“尽管显示出巨大的前景，但印刷零件中的缺陷仍然阻碍了金属添加剂制造发挥其潜力。到目前为止，研究重点是根据液态金属或颗粒的行为来检测和预测缺陷，往往忽视了熔池上方产生的蒸汽喷射和羽流的影响。

“我们的发现为3D打印带来了令人兴奋的新前景：我们可以极大地减少这些缺陷，并生产出不太可能出现故障的组件。我们相信，这项工作将有助于创建改进的过程监控和分析工具，以识别和防止金属添加剂制造中的缺陷。此外，它还将支持更具预测性的多功能sics模型包括大气效应和粉末运动，允许对过程图进行精确的先验计算。“”

英国唯一的LPBF系统制造商Renishaw与Heriot Watt大学结成战略联盟，部分支持了这项工作。该团队将继续与Renishaw合作，利用这些新见解改进未来的3D打印设备。

赫里奥特·瓦特团队的研究文章《激光粉末床聚变中蒸汽、液体和固相之间的相互作用》发表在科学杂志《自然通讯》上。