对创新制造工艺的3D见解

3D打印可以打印出非常复杂的形状。但利用激光打印陶瓷物体则是一项更为艰巨的挑战。现在，保罗-舍勒研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）的研究人员首次拍摄了层析成像图，揭示了这一制造过程中在微观层面上发生的情况。这些发现将有助于改进这项非常有前途的技术。

3D打印技术已被用于生产许多物品。例如，增材制造正越来越多地应用于航空航天和汽车工业以及医学领域。常用于金属和塑料的方法被称为激光粉末床熔融（LPBF）。在LPBF过程中，材料以细粉末层的形式涂覆在基底上，然后激光穿过粉末并将其熔化，使其形成所需的形状。下一层薄粉末沉积后再次被激光熔化。部件就是这样一层一层依次成型。

陶瓷LPBF过程中的操作层析成像显微镜设置

PSI和其他研究机构的研究者，已经使用X射线对LPBF过程中发生的确切情况进行了研究，但迄今为止，这些微观研究只能提供二维图像。PSI材料科学家Malgorzata Makowska说：“我们希望更进一步，以三维方式跟踪制造过程。与二维X射线图像不同，研究人员希望获得三维断层扫描图像，并能以较快的速度跟踪激光光斑。为此，他们必须在制造过程中旋转样品，并用激光跟踪这种快速旋转运动，这是一项重大挑战。据《通讯材料》杂志报道，该团队现在首次成功地做到了这一点。”

磁铁稳定旋转的前驱体粉末

科学家们在实验中使用了氧化铝。例如，这种陶瓷材料通常用于化学工业中暴露在高温下的部件、电气工程中的绝缘体或医学中的植入物。然而，由于这种材料极硬极脆，用传统技术制造复杂形状的产品面临巨大挑战。

PSI物理学家Steven Van Petegem说：如果能打印出这样的部件，那就容易多了。然而在打印氧化铝时，仍然很难获得足够致密的材料和所需的微观结构。

在层析成像光束线TOMCAT上进行的实验为创新制造工艺提供了新的视角。测试样品以50 赫兹（3000转/分）的速度旋转，同时激光在粉末上移动。使打印工艺适应这种极速旋转是主要困难之一，研究人员现已克服了这一困难。

另一个难题是如何防止旋转材料因离心力而飘散。为此，他们在氧化铝粉末颗粒中加入了极少量的磁性氧化铁，然后用磁铁将粉末固定住。磁铁安装在样品下方一个直径为3毫米的小圆柱体中。

光束线科学家Federica Marone解释说：得益于内部研发的GigaFRoST快速相机和高效显微镜，我们可以在打印过程中每秒获取100张三维图像。这些图像显示了粉末在激光处理过程中发生的变化。

Marone说：“我们第一次能够以三维方式直接观察熔化的体积。所谓‘熔池’的形状让研究人员大吃一惊。当他们增加激光功率时，表面并没有形成预期的凹陷。相反，熔池像薄饼一样摊开，表面或多或少是平的。”

打印出所需的微观结构

研究人员还能观察到材料硬化时如何形成孔隙和空洞，这对未来的应用非常重要。理想的情况是材料光滑美观，微观结构清晰明确。但在特定应用中，一定量的孔隙也是非常理想的，

Van Petegem补充说：我们希望实验能揭示更多关于打印工艺的知识，并希望我们能将这些知识传递下去，以便将其用于实际用途，尽管还有很长的路要走。之后，新的TOMCAT 2.0光束线也将于2025年投入使用，这将增强现有的能力。

光束线科学家Christian Schlepütz说：“我们将有可能以更高的空间和时间分辨率研究更致密的材料，这是进一步发展LPBF技术的关键所在。”这项研究是在技术能力中心Inspire AG、苏黎世联邦理工学院和Empa的合作下完成的。这项研究的想法是2017年在战略重点领域（SFA）先进制造计划框架内启动的Fuorclam项目的后续行动。

Van Petegem说：各种项目让我们有机会了解瑞士所有从事增材制造和3D打印研究的团体。这是一个对未来极为重要的课题，瑞士已经认识到了这一点。