磁場技術革新3D列印 提升航太與賽車零件品質

一項由倫敦大學學院（UCL）與格林威治大學共同研發的創新技術，有望徹底改變航太與F1賽車關鍵零部件的製造方式。這項突破性研究利用先進X射線成像技術，深入觀察3D列印金屬合金零件中的缺陷形成過程，並成功開發出可大幅減少製造瑕疵的新方法。

研究團隊在芝加哥先進光子源（APS）同步加速器設施中，以每秒超過十萬幀的高速同步輻射X射線成像技術，精準捕捉鐳射與金屬原料在千分之一秒內的複雜互動作用。這讓他們首次能夠即時觀察到鐳射熔化金屬合金時產生的蒸氣，如何在零件中形成關鍵孔狀孔隙，以及這些孔隙不穩定導致3D列印零件缺陷的完整過程。

研究發現，傳統3D列印過程中，鐳射會在金屬表面形成不穩定的J形關鍵孔，這種結構容易坍塌並留下大量孔隙。然而，當施加適當磁場後，關鍵孔能保持相對穩定的I形結構，使孔隙數量減少達80%，且殘留孔隙的尺寸也顯著縮小。

「當鐳射加熱金屬時，不僅會使其液化，還會產生蒸氣。」研究第一作者、UCL機械工程學系的範先強博士解釋道，「這些蒸氣形成羽流，將熔融金屬推開，形成J形凹陷。表面張力會導致凹陷產生漣漪，使其底部斷裂，最終在成品中形成孔隙。而當我們施加磁場時，熱電效應產生的流體流動有助於穩定孔洞，使其呈現I形，避免尾部斷裂。」

這項發表於《科學》期刊的研究，為金屬合金鐳射3D列印技術帶來了革命性突破。從鈦合金腳踏車零件到生物醫學假體，這項技術有望在眾多領域生產出更複雜、更高品質的合金零件。特別是在人工髖關節等金屬關節置換物的製造上，這項技術將推動骨科手術的革新，使植入物更輕更強，開啟新一代設計的可能性。

「雖然我們早已知道這類零件中的關鍵孔孔隙問題，但一直缺乏有效的預防策略。」研究資深作者、UCL機械工程學系的Peter Lee教授表示，「這項研究讓我們首次能夠以前所未有的細節觀察製造過程，證明瞭熱電效應可以顯著減少關鍵孔孔隙。這意味著我們現在掌握了製造更高品質3D列印零件的關鍵知識，這些零件將更耐用，並可擴充套件到航太與F1賽車等安全關鍵應用領域。」

格林威治大學資深作者Andrew Kao教授補充道：「這項研究揭示了這類製造過程中涉及的物理力學，包括表面張力與黏性力之間的複雜動態。磁場的應用不僅打破了這種平衡，還引入了電磁阻尼和熱電力，後者在這個過程中發揮了穩定作用。有了這個強大的新工具，我們無需修改原料或鐳射束形狀就能控制熔體流動，這讓我們對開發各種終端應用的獨特微結構充滿期待。」

儘管這項突破性發現令人振奮，但研究團隊指出，要將磁場技術實際應用於生產線，製造商還需克服多項技術挑戰。預計這項技術的商業化應用還需數年時間，但其影響將十分深遠，從人工髖關節到電動車電池組，3D列印技術的進步將使高品質零件的生產更快、更經濟。