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3D打印技術(shù)已然風(fēng)靡全球，但目前與這項技術(shù)結(jié)合最好的是塑料和泡沫鋼材料，而這些材料卻不夠結(jié)實(shí)，不能滿足核心材料的應(yīng)用需求。如今，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種3D打印堅韌和靈活的不銹鋼的技術(shù)，這一進(jìn)步可能會帶來更快、更廉價的方法，從而制造出從火箭發(fā)動機(jī)到核反應(yīng)堆和油井設(shè)備零部件的所有產(chǎn)品。

不銹鋼是在150年前發(fā)明的，至今仍廣受歡迎。它是由傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)熔化而成的——其自身是鐵和碳(有時是其他金屬，如鎳)的混合物，并加入鉻和鉬，用以防止生銹和腐蝕。在不銹鋼的制造過程中，一系列復(fù)雜的冷卻、再加熱和軋制的步驟，使得材料的微觀結(jié)構(gòu)緊密地排列在一起，即合金的顆粒與顆粒之間形成了一種類似于細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬被彎曲或受壓時，顆粒中的原子層彼此滑動，有時會形成晶質(zhì)缺陷，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。但是牢固的顆粒邊界可以阻止這些缺陷，使材料變得堅硬，并且仍然足夠靈活，形成一個想要的形狀。

長期以來，3D打印研究人員一直試圖復(fù)制這種結(jié)構(gòu)。他們的計劃始于一個涂抹在平整表面上的金屬合金顆粒粉層。

在這項研究中，一種由計算機(jī)控制的高性能激光束在表面上來來回回地掃描。被激光擊中的顆粒熔化并融合在一起。隨后，這一表面向下移動，緊接著，另一層粉末被添加進(jìn)來，之后，激光加熱過程再次重復(fù)，將新熔化的材料粘在下面的一層上。通過重復(fù)這種逐層添加法，工程師們可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如火箭發(fā)動機(jī)。

然而問題依然存在——在微觀層面上，3D打印的不銹鋼通常都是高孔隙度的，這也使得它們很脆弱并且容易斷裂。

“這些鋼材的性能很糟糕。”Yinmin “Morris” Wang說，他是美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室的材料科學(xué)家。幾年前，Wang和他的同事提出了一種方法，利用激光和一種快速冷卻的技術(shù)將金屬合金粒子融合在一個密集而緊湊的結(jié)構(gòu)中。

　　如今，他們通過設(shè)計一個由計算機(jī)控制的程序擴(kuò)展了這項工作，使其不僅能夠制造致密的不銹鋼層，而且可以更為嚴(yán)格地控制這些材料的結(jié)構(gòu)——從納米級到微米級。這就使得3D打印機(jī)可以在每一個尺度上構(gòu)建微小的細(xì)胞壁式結(jié)構(gòu)，從而防止破裂和其他常見問題。

　　測試表明，在某些條件下，最終的3D打印不銹鋼材料的強(qiáng)度要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的不銹鋼高3倍且仍然具有韌性。

　　科學(xué)家在10月30日出版的《自然—材料》雜志上報道了這一研究成果。

　　“他們所做的事情真的很令人興奮。”賓夕法尼亞州匹茲堡市卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)機(jī)械工程師Rahul Panat說。此外，Panat指出，Wang和他的同事使用了一種在市場上可以買到的3D打印機(jī)和激光設(shè)備完成了這項工作。這使得其他研究團(tuán)隊很可能迅速效仿他們的做法，制造出各種各樣的高強(qiáng)度不銹鋼部件——從飛機(jī)的油箱到核電站的壓力管。同時，還可能增加人們對3D打印的熱情。

　　3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件出現(xiàn)。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。