突破：金屬3D打印粉末對激光吸收率高達70%，LLNL新型蝕刻技術增強

2024年10月10日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員與學術界合作伙伴共同宣布，在金屬增材制造領域取得突破性進展。他們開發(fā)出一種創(chuàng)新技術，通過在金屬粉末上創(chuàng)建納米級表面特征，顯著增強了在3D打印過程中的光吸收率。這項技術尤其對銅和鎢等高反射率材料的打印效率和質量提升具有重大意義。

△研究人員通過納米級蝕刻技術將金屬粉末的吸收率提高70%，優(yōu)化了3D打印過程中的能量效率

技術研發(fā)背景

3D打印技術已經(jīng)革新了產品的設計與制造流程，能夠生產出傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的復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打印技術面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是某些金屬的高反射性，這限制了激光能量的有效吸收，可能導致打印效率低下，甚至損壞打印機。

△該研究已發(fā)表在《Scientific Advisor 》期刊并榮登了9月份雜志封面，題目為“用于增材制造的高吸收率納米紋理粉末”

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

△蝕刻前后紋理粉末的表面形貌變化

LLNL的創(chuàng)新表面處理方法

目前，普遍認為使用標準商用激光機器無法實現(xiàn)高品質純銅金屬增材制造。聯(lián)合主要作者、LLNL材料科學家Philip DePond表示：“我們的方法結合了傳統(tǒng)表面處理技術來提高吸收率，同時避免損害銅的純度或其關鍵材料特性，如高導熱性和導電性。”

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。這一點已在LLNL進行的高保真模擬中得到證實，盡管實驗中尚未詳細描述。我們不僅證明了這些相互作用的存在，還展示了它們對過程的潛在益處。

研究人員指出，濕蝕刻技術雖然簡單，但效果顯著。該團隊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，從而形成復雜的納米級特征，并增強粉末對激光的吸收能力。為了表征蝕刻粉末的表面特征，研究人員采用了高級成像技術，包括同步加速器X射線納米斷層掃描，該技術提供了粉末顆粒的詳細3D表示，使團隊能夠分析并準確模擬納米級修改的電磁影響。

該團隊進行了廣泛實驗，以證明吸收率提高的機制，并將其歸因于改性粉末。使用位于LLNL先進制造實驗室和MIRILIS激光材料相互作用實驗室的定制LPBF系統(tǒng)進行了工藝優(yōu)化研究，并最終完成了批量和復雜樣品的打印。

△紋理粉末中吸收率增強的實驗和模擬

新技術實現(xiàn)高效率、低成本純銅與鎢3D打印

該團隊的一項關鍵發(fā)現(xiàn)是，他們成功實現(xiàn)了以較低能量輸入打印高純度銅和鎢結構：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：“從更廣泛的角度來看，我們的方法實現(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，這對于打印復雜幾何形狀至關重要。傳統(tǒng)上，為了處理銅和其他高反射材料，少數(shù)機器制造商甚至研發(fā)了全新的機器。這些機器的成本幾乎是傳統(tǒng)機器的兩倍，因此打印這些材料的門檻非常高。”

這項研究的潛在應用可能會對生產產生顯著影響。研究人員指出，降低打印過程的能源消耗不僅能降低運營成本，還能最小化制造過程對環(huán)境的影響，并為新的生產者群體提供銅3D打印的可能。

能源安全計劃負責人Dan Flowers表示：“這種方法甚至能讓激光功率輸出較低的商用機器打印銅，從而使得該技術更加普及，并為更廣泛的社區(qū)提供使用機會。”他補充道，他希望這項工作能夠激勵工業(yè)界在先進制造業(yè)中更廣泛地利用銅。

Flowers說：“更高效的銅打印不僅支持了熱交換和催化技術，還促進了眾多清潔能源和脫碳技術的發(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。”

通過增強吸收率和改進粉末動力學，研究人員還能夠生產出具有更大相對密度的高質量打印部件。在實驗中，他們以低于其他打印銅部件一半的能量實現(xiàn)了高達92%的相對密度，而在更高的能量輸入下，甚至達到了99%以上的相對密度，這表明有潛力生產出更加堅固和耐用的金屬部件。

接下來，該團隊將研究納米紋理對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。