研究人员开发了一种全新的金属3D打印方法，有望降低生产成本并提高资源效率。这一方法由剑桥大学领导的研究团队开发，可以在打印过程中将结构变化“编程”到金属合金中，微调它们的性能，而无需使用已延续了数千年的“加热锻打”工艺。该方法可降低成本，更有效地利用资源。研究结果发表在30日的《自然·通讯》杂志上。

这一3D打印技术将两种世界的最佳特性相结合：既能够通过3D打印制造复杂形状，又能够通过传统方法工程化金属的结构和特性。

自青铜时代以来，金属部件一直是通过加热和锻打的过程制成的。这种方法用锤子使材料硬化，然后用火软化，使人们可以将金属制成所需的形状，同时赋予其柔韧性或强度。加热和锻打之所以如此有效，是因为它改变了材料的内部结构，从而可以控制其性能。

针对缺点进行改造

目前3D打印技术的主要缺点之一是无法以相同的方式控制内部结构。此次，团队开发了一种3D打印金属的新策略，可在材料被激光熔化时对内部结构进行高度控制。通过控制材料在熔化后凝固的方式，以及在此过程中产生的热量，研究人员可以对最终材料的性质进行编程。

而当3D打印的金属部件被放置在相对较低的温度下时，它会触发微观结构的受控重构，这一策略可以完全控制金属的强度和韧性。

研究人员发现，在3D打印过程中，激光可以被用作微型“锤子”，使金属变硬。然而，用相同的激光第二次熔化金属会使其结构松弛，从而允许在将零件放入炉中时进行结构的重新配置。他们的3D打印钢材经过理论设计和实验验证，其性能可与加热和锻打制成的钢材相媲美。

钢和铁，从构成元素上来说，并无太大区别。铁可以被炼成钢。简单来说，经过高温煅烧等工序，铁中的含碳量降低了，就成了钢。钢制品强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工……多种优点让它一下子甩开了铁好几个档次。

技术特点：

--能效提高。相对于传统方法，3D打印具有多种优势。例如，它使制造复杂设计更容易，并且比传统的金属生产工艺消耗更少的材料，因此更加高效。然而，3D打印目前的一个主要问题是无法像传统方法那样精确控制材料的内部结构，因此需要大量的后期处理和修改，导致制造成本居高不下。

--内部结构精确控制。研究人员开发了一种全新的3D打印金属配方，允许在激光熔化金属的过程中精确控制材料的内部结构。他们发现，通过操控材料在熔化后的固化方式以及在整个过程中产生的热量，可以定制成品材料的特性。这种技术使他们能够完全控制金属制品的强度和韧性。

--内部微结构调整。新方法允许研究人员在3D打印金属制品放入低温炉中时，通过受控的微结构重新配置来实现对金属的强度和韧性的完全控制。他们使用传统的激光3D打印技术，经过一些微小的改进，发现激光可以用作“微观锤子”，在3D打印过程中硬化金属。当将制品再次用同一激光熔化时，金属的结构松弛，允许结构的重配置。通过使用这种方法制造的钢材具有交替的强度和韧性区，使其性能等同于传统的“加热和锤打”方法。

金属3D打印能替代传统制造吗？

金属3D打印技术已经逐渐被很多行业认可和应用，但是目前，金属3D打印多数被作为传统制造技术的一种补充，暂时还不能完全替代传统制造。

金属3D打印使用的是金属粉末进行选择性激光烧结，打印时在成型缸里铺上金属粉末，打印机的激光束根据零部件的3D图纸逐层进行选择性融化、烧结粉末，直至打印完毕。金属3D打印可以打印不锈钢、模具钢、铝合金、钛合金等金属粉末。在结构复杂、个性化、小批量、高成本零件修复、轻量化等方面具有明显优势。

金属3D打印可以制造出复杂形状的零件，但在精度和表面质量方面仍然存在一些局限性。此外，金属3D打印技术的成本较传统制造不占优势，对于大规模生产来说，传统制造技术仍然具有更高的效率和更低的成本。

然而，在个性化、定制化、小批量生产和高价值零件修复等领域，金属3D打印技术可以发挥巨大的作用。随着技术的不断进步和应用范围的扩大，金属3D打印技术有望在未来成为传统制造技术的重要补充和替代。

因此，可以说金属3D打印技术目前还不能完全替代传统制造，但随着技术的不断发展，它的应用前景非常广阔，未来有望成为主流制造技术。

结语：

这一新的金属3D打印方法代表了一项重大的技术突破，有望降低生产成本，提高资源利用效率，同时减少对能源的依赖。相对于传统的“加热和锤打”工艺，3D打印技术具有显著的能效优势，因为它消耗的材料更少，能够制造复杂的设计。然而，目前的3D打印技术仍然存在一些问题，其中之一是内部结构的控制问题，这导致了昂贵的后期处理和修改。研究人员的新方法通过在激光3D打印过程中调整金属的内部结构，允许更加精确地控制成品材料的特性。这一突破有望降低金属3D打印的制造成本，同时提高生产效率。

这一技术的成功开发为金属3D打印领域带来了重大突破，也为工程界带来了更高的可持续性。目前，传统的“加热和锤打”工艺消耗大量能源，而新的3D打印方法将能源效率提升到新的高度。这将有助于金属3D打印技术的更广泛应用，从而为未来的可持续能源经济和资源管理提供了有力支持。

在未来，研究人员还希望进一步降低这一方法的成本，减少在低温炉中的处理步骤，从而减少使用3D打印部件在工程应用中所需的加工过程。这将使3D打印技术更加实用，帮助实现更加可持续和资源高效的制造方法。

总之，这一新的3D打印金属技术代表了一项革命性的技术进步，有望为工程和制造领域带来更高的效率和可持续性，减少能源消耗，降低成本，提高资源利用效率。这一发现将有助于推动金属3D打印技术的发展，为未来的工程应用提供更多可能性。