近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员与学术界合作伙伴共同宣布，在金属增材制造领域取得突破性进展。他们开发出一种创新技术，通过在金属粉末上创建纳米级表面特征，显著增强了在3D打印过程中的光吸收率。这项技术尤其对铜和钨等高反射率材料的打印效率和质量提升具有重大意义。
△研究人员通过纳米级蚀刻技术将金属粉末的吸收率提高70%，优化了3D打印过程中的能量效率
技术研发背景
3D打印技术已经革新了产品的设计与制造流程，能够生产出传统方法难以实现的复杂几何形状和定制组件。尽管如此，激光粉末床熔合（LPBF）金属3D打印技术面临的一个关键挑战是某些金属的高反射性，这限制了激光能量的有效吸收，可能导致打印效率低下，甚至损坏打印机。
为了克服这一难题，由LLNL、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的科学家组成的国际研究小组，开发了一种独特的湿化学蚀刻工艺。这项工艺能够改变传统金属粉末的表面特性，通过创建纳米级凹槽和纹理，显著提高粉末对激光的吸收率。研究人员指出，通过这项技术，粉末的吸收率可提高多达70%。这一进步有望在激光熔化过程中实现更高效的能量传递，从而提高打印质量并降低能耗。
△蚀刻前后纹理粉末的表面形貌变化
LLNL的创新表面处理方法
目前，普遍认为使用标准商用激光机器无法实现高品质纯铜金属增材制造。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技术来提高吸收率，同时避免损害铜的纯度或其关键材料特性，如高导热性和导电性。”
更重要的是，我们揭示了激光与粉末的相互作用超出了熔池区域。这一点已在LLNL进行的高保真模拟中得到证实，尽管实验中尚未详细描述。我们不仅证明了这些相互作用的存在，还展示了它们对过程的潜在益处。
研究人员指出，湿蚀刻技术虽然简单，但效果显著。该团队将铜和钨等金属粉末浸入特制溶液中，选择性地去除表面材料，从而形成复杂的纳米级特征，并增强粉末对激光的吸收能力。为了表征蚀刻粉末的表面特征，研究人员采用了高级成像技术，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，使团队能够分析并准确模拟纳米级修改的电磁影响。
该团队进行了广泛实验，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，并最终完成了批量和复杂样品的打印。
△纹理粉末中吸收率增强的实验和模拟
新技术实现高效率、低成本纯铜与钨3D打印
该团队的一项关键发现是，他们成功实现了以较低能量输入打印高纯度铜和钨结构：铜的能量输入低于100 J/mm³，接近高密度钛和不锈钢合金的范围；而钨的能量输入约为700 J/mm³，比传统方法减少了约1/3。
DePond解释说：“从更广泛的角度来看，我们的方法实现了在不损害3D打印系统本身的情况下打印铜。此外，工艺参数窗口变得更加宽广，这使得我们能够探索更广泛的扫描条件，这对于打印复杂几何形状至关重要。传统上，为了处理铜和其他高反射材料，少数机器制造商甚至研发了全新的机器。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。”
这项研究的潜在应用可能会对生产产生显著影响。研究人员指出，降低打印过程的能源消耗不仅能降低运营成本，还能最小化制造过程对环境的影响，并为新的生产者群体提供铜3D打印的可能。
能源安全计划负责人Dan Flowers表示：“这种方法甚至能让激光功率输出较低的商用机器打印铜，从而使得该技术更加普及，并为更广泛的社区提供使用机会。”他补充道，他希望这项工作能够激励工业界在先进制造业中更广泛地利用铜。
Flowers说：“更高效的铜打印不仅支持了热交换和催化技术，还促进了众多清洁能源和脱碳技术的发展。LLNL社区和我们的低碳能源使命将从这种能力中受益。”
通过增强吸收率和改进粉末动力学，研究人员还能够生产出具有更大相对密度的高质量打印部件。在实验中，他们以低于其他打印铜部件一半的能量实现了高达92%的相对密度，而在更高的能量输入下，甚至达到了99%以上的相对密度，这表明有潜力生产出更加坚固和耐用的金属部件。
接下来，该团队将研究纳米纹理对粉末元素混合的影响，例如在通常需要截然不同能量输入才能熔化的不同材料之间。
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