威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们已经找到了一种方法，可以同时减轻三种类型的零件缺陷，这种缺陷使用了一种著名的增材制造技术，称为激光粉末床融合。

　　在威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授Lianyi Chen的带领下，该团队发现了这种机制，并确定了可以显著减少缺陷的加工条件。研究人员在2024年11月16日发表在《国际机床与制造杂志》上的一篇论文中详细介绍了他们的发现。

　　“以前的研究通常集中于减少一种类型的缺陷，但这需要使用其他技术来减轻剩余类型的缺陷，”Chen说。“基于我们发现的机制，我们开发了一种方法，可以立即减轻所有缺陷-毛孔，粗糙表面和大飞溅。此外，我们的方法使我们能够在没有任何质量妥协的情况下更快地生产零件。”

　　包括航空航天、医疗和能源在内的多个行业对使用增材制造（也称为3D打印）来生产具有复杂形状的金属部件越来越感兴趣，这些金属部件很难或不可能使用传统方法来制造。

　　但最大的挑战是，用增材制造制造的金属零件有缺陷，比如孔隙，或“空洞”，粗糙的表面和大的飞溅，这极大地损害了成品零件的可靠性和耐用性。这些质量问题阻碍了3d打印部件用于不可能出现故障的关键应用。

　　通过提供同时提高零件质量和制造生产率的途径，威斯康星大学麦迪逊分校团队的进步可能会导致激光粉末床融合的广泛行业采用。

　　激光粉末床熔合使用高能激光束熔化和熔合薄层金属粉末，从下往上一层一层地构建零件。在这项研究中，威斯康星大学麦迪逊分校的研究小组使用了一种创新的环形激光束，由一家名为nLight的领先激光公司提供，而不是通常的高斯形激光束。

　　环形激光束在这一突破中发挥了关键作用——就像关键的“原位”实验一样，论文的第一作者、陈小组的博士生袁建东说。

　　为了了解打印过程中材料在部件内部的表现，研究人员前往位于阿贡国家实验室的先进光子源，这是一种超亮、高能同步加速器x射线用户设备。结合高速同步加速器x射线成像、理论分析和数值模拟，研究人员揭示了缺陷缓解机制，包括减少激光粉末床熔合过程中不稳定性的现象。

　　研究人员还证明，他们可以使用环形梁在材料中钻得更深，而不会在这个过程中造成不稳定。这使他们能够打印更厚的层，提高生产效率。“因为我们了解了潜在的机制，我们可以更快地确定正确的加工条件，使用环形梁生产高质量的零件，”陈说。

　　陈连义是郭锴和王凤芳机械工程副教授。

　　来自威斯康星大学麦迪逊分校的合作者包括郭奇林、Luis Escano、Ali Nabba、曲明磊、黄俊烨、李清远、Allen Jonathan Román和Tim Osswald教授。来自阿贡国家实验室的Samuel Clark和Kamel Fezzaa也参与了这个项目。

　　这项工作得到了美国国家科学基金会和威斯康星校友研究基金会的支持。