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关于3D打印和金属材料的小科普，也澄清几个常见的误会。
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这一阵好几个3D打印的帖子。许多不了解材料的人，对3D打印的原理和金属材料的制备成型有些误会。这里简单说几句。因为书不在手边，也是很久以前学的东西了，这里说的全凭印象，术语未必准确。对3D打印的分析也是个人观点。如果有错误，欢迎探讨指正。
1、有缺陷，材料是不是就不能用了？
材料学所说的缺陷是特定的术语。和一般人的感觉相反，金属材料的强化，几乎都是通过增多缺陷来完成的。而缺乏缺陷的金属，其性能难以使用。（关于为什么发动机需要用单晶，后面讲）
不管是熔炼时加入合金元素，还是成型后加压，前者是增加点缺陷来强化金属，后者是增加线缺陷来强化金属。
而锻造对金属缺陷的影响会比较复杂，但主要强化机理是通过非平衡的相变，将粗大的晶粒变成细小的晶粒——也是增加面缺陷（晶界）。不仅增加强度，也增加韧性。因此才获得了最好的综合力学性能。
这些缺陷将阻碍金属变形的过程，因此能够提高金属的强度。
也就是说，缺陷并非越少越好。在很多情况下，都是越多越好。
对缺陷的控制是金属材料学最重要的课题，是控制金属微观结构的重要途径。锻造、热处理，其最终强化金属的原理都在于控制缺陷（并非往少控制，而是消除有害缺陷，增多有益缺陷）
当然，缺陷会导致其它问题，对材料的性能有其它负面影响。比如内应力，需要回火消除。
王华明的3D打印技术，因为是将合金熔体快速冷却，必然会产生内应力。后续也需要热处理消除。但制得的工件性能优异，主要在于快速冷却过程中产生了大量面缺陷，和锻造的原理类似。所以也可以得到性能堪比锻件的工件。
PS：所谓的焊接缺陷，也是因为高温导致了焊接处发生了重结晶，小晶粒变大，面缺陷变少，导致强度和韧性下降。焊接缺陷，铸造缺陷——这些说法里的“缺陷”指的是工艺造成的金属性能下降，和金属微观结构的缺陷有关，但并非是一回事。
2、王华明的3D打印到底好在哪？
王华明在演讲里也说了，他最大的突破就是解决了冷却和缺陷的问题。而之前那家搞增材制造的美国公司之所以破产，也是因为无法在这个问题上突破。
这里他说，自己是用“土法”解决的，但不管怎么说，他解决了。
正是因为解决了这个问题，所以他的技术获得的工件性能十分优异。原因如上所述，他通过激光熔覆能够获得有有益缺陷的金属基体。也就是说，他发明了一种高级的“锻造”，不需要水压机，锻锤，也能够获得晶粒细小的组织。而且这种组织是通过平衡相变一点一点“浇”出来的，而不是非平衡相变“砸”出来的，理应比锻造更细，也更均匀。
而结果也的确如此。
而且这项技术未来的潜力远不止如此。如果王华明能在机理上研究结晶过程的机理，那么获得的组织还可以进一步细化，进一步提高金属材料性能，甚至通过定向地制造设计出的非均匀材料来。
3、3D打印不能够用于量产吗？
如前所述，王华明的激光熔覆技术获得的工件在性能上远超过铸造件，也超过锻造件。
有人说，3D打印只打个样，量产时会用其它工艺。
这种说法忽略了最基本的事实。就是工艺不同的构件，性能也不同，强度、疲劳寿命都不同。特别是，如果原型机用3D打印制造，利用3D打印的特性造出了复杂形状的零件，那么其它工艺根本就无法使用。即便能够使用，其性能会急剧降低。
试想，原型机用3D打印，换成量产机，过载也下降，寿命也下降，空重要大幅上升，这样的原型机做出来有何用？即便忍了这些，强度实验也要重做。
有人可能会说，3D打印的速度不行。但是现有的激光3D打印也能做到每小时5磅的速度，却连船用主轴，反应堆外壳那种几百吨的东西都准备打印了，显然速度不是问题。
航空上构件最重才多重？
4、3D打印能够取代现有工艺吗？
目前3D打印受限于激光器的功率和冷却工艺，打印速度不快。但其潜力已经初现。制造钛合金构件，成型复杂形状构件，都十分有优势。试想，飞机设计师一旦尝到过3D打印工件在形状、承力和寿命上的巨大优势，怎么会愿意退回到以前的铸造锻造的时代，又何必如此？
如果能够打印出强度和疲劳寿命都更好的起落架，为何还要使用原本的工艺？
当然，3D打印不会用于钢板，钢管这种现有工艺就能完成的。没有必要，时间上也是浪费。
3D打印的成熟还需要时间，对传统的成型工艺的影响，几年后就会显现。（从某些传言看来，现在就已经对中航的一些院所有影响。）
5、单晶、3D打印与航空发动机
有朋友认为单晶很好，没有什么缺陷。单晶单晶，只有一个晶粒生长而成，听起来就很完美。
然而一开始却说，缺陷少晶体，综合力学性能较差。
那么为什么发动机叶片要用铸造单晶？
因为，在常温下和高温下，单晶金属和多晶金属的性能表现是相反的。
简单来说，多晶晶体在常温下，晶界能够阻止位错运动，强化强度和韧性——但是在高温下却成了氧化和蠕变先发生的区域，变得很脆弱。
而单晶虽然有着其它缺点，因为不存在晶界，也就没有这个致命缺点，因而应用于高温环境。
3D打印目前来看，无法制造出单晶合金，因此在航空发动机温度最高的热端部件上应用有限。
但据说目前已经能够制造出柱状晶组织，至少可以应用于第二级涡轮。这个消息也佐证了一点，就是王华明对于激光熔覆的冷却工艺研究已经相当深入，可以制造出定向凝固结晶。
3D打印虽然不能制造单晶，但是却可以将叶片直接打印在涡轮盘上，提高寿命，降低重量。这一能力至少可以在压气机的叶片上使用。直接打印出结构复杂的空心叶片，或许对精度有更高要求。
涡轮盘的制造似乎已经有实物。性能如何，暂时不知。
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说慢的人笑死了 5磅又如何 一台一小时五磅 100台 1000台？
当年有人讲手机壳子用CNC加工 一个壳子要走20分钟 产量跟不上
现在呢 三星苹果中华酷联一年产多少？ 浙江那边很多工厂一个厂就上千台CNC
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的，但前景是非常可观，用程序控制分子间慢慢堆起来会成为未来的主流，如打印机刚出来时的例子。
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本帖最后由 bikaqu10 于
07:51 编辑
谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
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超大游击队员
量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
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谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
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3d打印已经在普及了，一旦中国人应用了，那也就白菜价了，例如民营的永年激光都可以做
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谢谢楼主科普 感谢
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
原来这么简单哦，请问您能3D打印点东西出来不？
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不错的文章
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超大游击队员
多谢楼主科普。经常看见有人说，xx有这个技术/工艺，咱还差的远，然后有人举出咱也是有的，那人就又会说什么成本/规模/成熟度。嘿嘿，就算是美帝，也做不到每样技术都会，会的都领先，有些人拼命在TG身上玩找缺点游戏，也是蛮拼的，来猜猜第几楼会起个头
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超大游击队员
麻烦楼主解释一下单晶铁丝悬挂一吨重物的原因，常温。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
哥们儿，不是博士才能把工艺控制的很好
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
堆焊出来复杂的结构，堆焊出来的材料性能不输甚至超过锻件，这就可以吹了，谁不服谁来试试看。
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
打印出样子、外形当然不难，但难的是不但要求打印出样子、外形，还要打印出的东西符合性能要求。
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科普贴，期待国产光纤激光器大功率能有突破。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
谁说操作人员一定要博士？设计制造导弹的人会是打仗时发射导弹的人吗？
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麻烦楼主解释一下单晶铁丝悬挂一吨重物的原因，常温。
你那个说法并不是说真有单晶铁丝做出来实验悬挂铁丝，而是理论上计算出的数值。目前由单晶生长出的短纤维，也就是晶须，还在发展，通过大量细晶须做成复合材料。目前碳晶须硼晶须已有应用，但成本高，而且做不粗，因为做大了生产过程就无法保证晶体完美。
单晶材料对缺陷非常敏感，一旦出现裂纹，因为本身缺少其它缺陷阻止裂纹扩展，材料会迅速失效。
单晶没有缺陷，所以拉伸强度理论上可以接近完整晶体的理论值，高达40000Mpa。相比之下，现在超高强度合金钢的拉伸强度也只有几千MPA。强度等同于金属键原本的强度，提高空间非常大。
但这只是看上去很美。
我查到的，现在做出来的碳晶须，不仅直径还是微米级别，连长度也只有100微米。多用来做复合材料。拉伸强度不过2000MPa。
要做成没有缺陷的单晶“铁丝”用来承力，现在还不行。
单晶铜丝倒是做出来了，已经用来做导线，但是材料是纯铜，内部也有缺陷，拉伸强度在1000MPa还不如合金钢。
所以提高强度，大多走的是利用晶体缺陷的方向。
现在的高强度冷拉高碳钢丝已经达到5000Mpa
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超大游击队员
本帖最后由 ab209 于
12:23 编辑
zwtk345 发表于
你那个说法并不是说真有单晶铁丝做出来实验悬挂铁丝，而是理论上计算出的数值。目前由单晶生长出的短纤维 ...
谢谢。理论和工程化的平衡问题，了解了。
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3D打印俗话说不就是可控烧焊吗？？
不就是以前的人工堆焊变成程序堆焊吗？？？这个技术又不是什么可吹的， ...
如果你的“可控烧焊”能做到控制晶体的生长方向，能够焊出柱状晶，能够焊出强度不亚于锻造的金属构件来，那你在全世界都有资格大吹大擂。只要你能做到的话。
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大型船用曲轴、反应堆壳体是王华明在南风股份的产业化应用，与军品相比，用的都是增材制造工艺，但能量源不是激光，而是强电流，更类似于电子束。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
想当年多轴数控机床也没几个人会用。
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说慢的人笑死了 5磅又如何 一台一小时五磅 100台 1000台？
当年有人讲手机壳子用CNC加工 一个壳子要走20分 ...
船的大轴其实产量并不高。飞机的大梁产量本来也不高的。比如c17,1991年首飞，2010年为止产了210架。那么平均一下一年才10架，那么3d打印慢不慢，也就那么回事。
3d打印还是用来做一些复杂的，难搞的东西最合适。比如发动机的空心叶片。3d打印可以做出个一体成型的，内部带空腔的叶片，更可贵的是，空腔内部的形状结构是可控的。这样就多了一种优化设计的手段。
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技术帖要顶！！！
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涨知识了，顶一个。
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
3D打印机都是自动的吧，不存在小批和量产的工艺不同吧？
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长知识的好贴 是要多读几遍的 感谢楼主的原创科普
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不知道激光器现在怎么样。
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lz搞什么专业的不清楚，但是很多内容都是错的：
1、3D打印是一个非常庞大的概念，王老师的工艺线路准确地说叫“激光近净成形”，也可以通俗地称作“熔池型激光快速成形”。
这个工艺线路非常明确地就是以减少缺陷为主要目标，包括偏析、成分偏差等物理缺陷和金相缺陷，通过控制工艺都可以达到极大减少的目的。
细化晶粒在工艺上从来都是作为减少缺陷来描述的，lz定义为增加缺陷属于胡说。
2、王老师真正的成就是研究透了好几个型号/牌号的材料，对其成形机理有了别别的团队深得多的认识，所以不管用近净成形还是别的线路，他的团队都能做到一流表现。
所谓土办法外人看看就好，真正的解决方案不但不土，还是非常前端和深刻的。
而且，lz非常错误地以为这个工艺线路是锻造，而事实上这个线路是标准的铸造。
3、所谓原型机如何如何的，属于根本不了解设计审定线路，也不了解重大装备设计制造的规程，还以为小心眼地限定一个工艺就可以摸鱼成功，而事实上这事情根本不存在。
至于速度什么的，目前需要高速高精度快速制造的主力流派是电子束，激光近净成形不会做为大规模制造的主力。
4、单晶的综合性能普遍好于多晶，所谓综合力学性能较差属于根本不了解材料基本特性。
而且lz自言自语马上又自我否定，有哪个重要结构件仅仅考虑常温性能的？
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说慢的人笑死了 5磅又如何 一台一小时五磅 100台 1000台？
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去查查靠谱点的近净成型设备价格，说产能低的前提是同样投资，一套靠谱点的大功率激光器够组建一个数控加工中心车间的。
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谢谢楼主科普。另外3D打印C919承重部件这个消息属实么？
这个消息完全不可靠
事实上是加工而且完美交付了轩窗框
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
这根本不是啥问题，设备的自动化程度很高
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大型船用曲轴、反应堆壳体是王华明在南风股份的产业化应用，与军品相比，用的都是增材制造工艺，但能量源不 ...
这个事情你理解为圈钱炒作概念就好，别的真没有
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量产的工艺控制是一个问题，因为操作人员不都是博士生。
自动化控制整个过程会更好吧。不知道能不能？
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这个事情你理解为圈钱炒作概念就好，别的真没有
技术上有问题？
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技术上有问题？
无论是技术线路还是产业线路都可以描述可以去做，但不是王老师这个团队的长项。
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自动化控制整个过程会更好吧。不知道能不能？
不可能完全自动化控制，但从实践看，也不是啥难题
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无论是技术线路还是产业线路都可以描述可以去做，但不是王老师这个团队的长项。
那现在中航天地激光是否已经量产了？我看几个月前，郭金龙考察的新闻说厂房已经盖完，设备已经到位。
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最具影响力中文军事论坛 - Most Influential Chinese Military Forum科学家利用X射线研究金属3D打印产生缺陷的原因
SLAC国家加速器实验室正在研究如何避免金属3D打印零件的缺陷。其X射线观察过程可以产生更可靠的3D打印部件。
无论您的3D打印机是在家里、工厂、船上，还是在太空中，您总是希望您的3D打印物尽可能出现少的缺陷，无论是为了审美目的，还是为了确保其功能关键部分。然而，有时候，识别缺陷的原因可能很困难：是3D打印材料还是3D打印机本身?也许这个缺陷来自用于构建零件的CAD 3D模型?
SLAC国家加速器实验室的科学家们同样好奇，为什么3D打印部件(特别是金属3D打印部件)容易出现缺陷，所以他们使用装有X射线的观察台来更好地理解使3D打印出错的原因。科学家们认为这项研究可以使各种3D打印产品制造商受益，例如航空航天、汽车和医疗保健等行业。
这项研究正在实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL)上进行，并得到美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室和艾姆斯实验室的科学家的协助。这些科学家一起使用两种X射线方法来观察金属3D打印过程中发生了什么-这是一项令人难以置信的有用的技术，但尚未完善。
SLAC工作人员兼项目负责人Johanna Nelson Weker表示：“借助3D打印技术，您可以制作具有复杂几何形状的部件，这些部件不能像普通金属部件那样进行铸造。从理论上说，这可以是一个快速的转变：简单地设计、发送、从远程位置打印。但是我们还没有。我们仍然需要弄清楚所有参与制造坚固零件的参数。”
读者可能非常清楚FDM 3D打印机可能出现的各种缺陷，但是金属3D打印机存在自身的一系列问题。例如，在选择性激光熔化(SLM)过程中，熔化激光束过程在金属冷却和硬化时不均匀地产生坑或弱点，同时建立层。但为什么会发生呢，怎样才能避免呢?
在这些研究过程中，SLAC科学家们正试图深入这个增材制造问题的底部，分析所使用的金属的种类，激光的热量水平，金属加热和冷却的速度以及可能会导致3D打印部件缺陷的其他因素。
SSRL材料科学部门的科学家Chris Tassone评论说：“我们提供的基础物理研究将帮助我们确定金属3D打印的哪些方面非常重要。”
科学家们认为，使用X射线而不是热成像装置可以揭开矿坑形成的秘密。他们正在使用两种不同的X射线技术，一种是捕获微米分辨率图像，当金属层积聚时会发生什么，另一种是从材料中的原子反射X射线来分析其原子结构，然后冷却。
目前，研究人员Nelson Weker和Tassone、Kevin Stone、Anthony Fong、Andrew Kiss、Vivek Thampy还没有得到任何明确的答案，但他们相信新的X射线设置可以帮助了解金属3D打印形成坑和弱点的原因。该研究还将用于观察其他种类的金属3D打印，包括定向能量沉积。
随着研究的不断深入，科学家们还计划在这个过程中引入其他的观测工具，包括一个可以收集制造过程照片和录像的高速摄像机。然后，他们将能够在某些点将他们的图像与他们的X射线数据相匹配，以便更全面地了解金属3D打印部件正在发生的事情。
Nelson Weker解释说：“我们希望制造商能够将他们在相机上看到的东西与我们在这里测量的东西联系起来，以便他们能够推断出金属材料表面下发生了什么。”
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今日搜狐热点金属3D打印部件的结构缺陷如何造成？研究员给出了结果_突袭网
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金属3D打印部件的结构缺陷如何造成？研究员给出了结果
编辑：王亮评论：
　　3D打印技术正被越来越多的行业所采用，并且在可靠性方面也在逐步提高，但是像任何方法一样，都存在一定的缺陷。关于3D打印过程如何出现问题，以及更多的细节被发现，美国能源部领导的一批研究员最近也在对此进行研究。由密苏里科技大学、阿贡国家实验室和卡内基梅隆大学的研究人员组成的团队对3D打印件的结构缺陷进行了调查。
金属3D打印是大规模3D打印中最常用的形式，大多数技术涉及使用自动激光器，由数字模型编程，以选择性地熔化金属粉末床的区域。熔融金属最终重新固化，并且可以以这种方式逐层地形成特定的3D形状。然而，这种模制发生的原因仍然是一个谜团，研究人员希望对其内部工作进行一些阐述，以了解可能造成3D打印金属部件的结构缺陷的一些常见原因是什么。
　　该调查正在利用科学部最高科技用户设施之一的先进光子源。基于强同步加速器X射线的记录设备，研究员能够实时地研究整个激光熔融过程。据阿贡物理学家Tao Sun说，“激光与金属的相互作用发生得很快。幸运的是，我们使用高级光子源的高速X射线仪器每秒钟捕获50,000帧的过程。我们可以研究逐帧生成的电影，以检查材料的微观结构，特别是缺陷和毛孔的形成。”
　　研究人员观察和量化熔池的尺寸或形状、粉末喷射量、固化和孔隙率形成以及不同相之间的各种变化等特征。使用各种物理理论和计算，这个X射线“电影”给出的细节可以用来构建精心设计的预测模型。然后使用这些模型重新设计3D打印过程，测试可能避免某些结构缺陷的方法。使用相同的X射线技术研究这一过程。通过这种方式，研究人员可以获得越来越多的有关金属3D打印的信息以及如何提高其可靠性。
　　研究团队与全国各地的实验室和研究机构分享他们的结论和预测模型，团队不仅希望微调目前使用的3D打印技术，还旨在发现新的方法和探索新的可能性。Argonne的首席材料科学家和Argonne的添加剂制造工程的项目联合负责人Aaron Greco说：“目前工业仅限于某种金属合金。但是新的呢？如果您了解如何打印新合金相关的物理性质，则可以将其纳入该过程，并提高打印的可靠性。”
　　除了改进和扩大用于工业3D打印的材料范围外，研究还可以帮助制造更复杂零件的初始设计阶段。更好地了解3D打印过程的工作原理将意味着设计师不必花费太多时间来研究如何提高其结构的质量和可靠性。这将允许数字模型被大大简化，只考虑关键因素。据Greco说，“我们的工作不仅有助于行业提高效率和性能，而且增加了金属3D打印在其他应用中被广泛采用的可能性。”
　　据3D虎了解，该研究结果已于最近发表在科学报告上，文章标题为“使用高速x射线成像实时监测激光粉末床融合过程”。实验在Advanced Photon Source的32-ID-B光束线上进行。
延伸阅读：《北欧地区大学和企业合作开发新的金属3D打印技术》返回搜狐，查看更多 责任编辑：
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如何增强SLM金属3D打印部件的延展性和韧性
日，南极熊从外媒获悉，新加坡的一个研究小组最近对SLM（选择性激光熔化）3D打印技术进行了一项高级研究，对于使用金属AM工艺的制造项目来说，这些研究结果可能是非常宝贵的。 在NPG aisa materials 杂志上发表的一篇题为“增强选择性激光熔化3D打印不锈钢316L强度和延展性”的论文中概述了这项研究的结果。 作者是 Zhongji Sun， Xipeng Tan， Shu Beng Tor and Chee Kai Chua.。
工程师们探索了一系列不同类型的激光器，以及模拟和测量粉末床的特定几何特征和熔化过程，以便提出创新方法来提高SLM技术的效率。 他们发现，金属AM部件的延展性和韧性可以通过其晶体结构的优化来加强。
选择性激光熔化技术包括一个激光束，通过数字3D模型预先编程，用于熔化金属粉末床的特定区域，以便将金属颗粒熔合在一起形成特定形状。 由于3D打印技术具有在一个阶段自动生成复杂几何图形的潜力，因此无需过多的人力或工具成本，因而受到重视。
由于其更高的分辨率和所得部件的强度，SLM优于类似的金属AM工艺。尽管与其他技术相比其强大的优势，但SLM 3D打印在延展性和韧性方面仍然需要改进。通常需要广泛的后处理来提高SLM制造的部件的性能，由于内部孔隙，各向异性，缺乏熔合缺陷和其他问题，这些部件可能很强但过分脆化。多年来，工程师一直在试图解决金属3D打印强度和韧性之间的折衷问题。
该研究项目试图通过研究使用SLM 3D打印生产的零件的微观结构来解决这个问题。他们发现可以观察到两种不同的晶体学结构，称为&011&和更常见的&001&。前者能够生产出更加坚韧和更具延展性的部件。
当变形力施加到SLM 3D打印部件时，有两种不同的机制可以使晶体结构变形。一个被称为位错滑动，另一个被称为变形孪生。变形孪生是延展性和韧性方面的首选机制，&011&结构的零件更频繁地表现出这种机制。
使用复杂的熔池几何和行为模拟，研究人员探索不同的方法来实现所需的晶体学结构。他们发现，更高的激光功率更有可能实现改进的结构，就像更短，更深的熔池一样。
△使用不同激光源的熔池。所有图片，来源：NPG Asia Materials
△使用380W和950W激光功率的SLM构建的SS316L样品中形成&001&和&011&晶体学结构
研究人员利用海洋级不锈钢316L（一种用于工业用途和SLM 3D打印的常用材料），能够在原位调整晶体结构，以实现改进的性能。 在设计具有&011&晶体结构的部件中，延展性和韧性水平高达40％。
除此之外，扫描策略等对结果也有一定的影响。