Наноструктуризация поверхностей порошков для 3D-печати: новые возможности энергоэффективного производства металлов

3D-печать металлов открывает огромные перспективы для современной промышленности, но этот процесс сталкивается с рядом технических вызовов. Одним из основных является высокая отражательная способность металлических порошков, что мешает эффективному поглощению лазерной энергии при плавлении. Это особенно касается материалов, таких как медь и вольфрам, которые имеют низкую поглотительную способность и требуют значительных энергетических затрат для их обработки.

Группа исследователей из Ливерморской национальной лаборатории, Университета Стэнфорда и Университета Пенсильвании предложила инновационное решение этой проблемы. Они разработали химический метод, позволяющий создавать на поверхности металлических порошков микроскопические наноструктуры, значительно улучшающие их поглощение лазерного излучения. Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Science Advances, эта технология увеличивает поглотительную способность порошков до 70%, что делает процесс 3D-печати гораздо более энергоэффективным.

Эта технология имеет большое значение для обработки материалов, ранее считавшихся слишком сложными для аддитивного производства. Например, медь обладает отличными теплопроводными свойствами, однако из-за своей отражательной способности ее трудно было использовать в 3D-печати. С помощью метода химического пищеварения ученым удалось создать на медных порошках нанорельеф, не влияющий на их основные физические свойства, но значительно улучшающий способность к поглощению энергии. Это позволяет печатать высококачественные детали из меди при меньшем расходе энергии.

Химический метод довольно прост. Металлические порошки, такие как медь и вольфрам, погружают в специальные химические растворы, которые избирательно удаляют материал с поверхности, создавая микроскопические рельефы. Это позволяет лазерному свету лучше взаимодействовать с порошками, улучшая эффективность плавления. Ученые применили современные методы визуализации, например рентгеновскую нанотомографию, чтобы детально исследовать изменения на поверхности порошков и лучше понять, как нанорельеф влияет на процессы лазерной плавки.

Эксперименты показали, что новая технология позволяет печатать сложные детали из меди и вольфрама с меньшими энергозатратами, достигая высоких показателей плотности готовых изделий (до 99%). Это открывает возможности для более широкого использования металлической 3D печати в промышленности, снижая затраты на энергию и повышая качество конечных изделий.

Кроме того, эта технология может помочь снизить экологическое влияние производства, поскольку позволяет использовать меньше энергии, что делает процесс более устойчивым и экономически выгодным. Исследователи также отметили, что теперь даже машины с более низкой мощностью лазера смогут эффективно печатать медь, делая технологию более доступной для более широкого круга производителей.

Это открытие имеет значительный потенциал для развития новых методов производства, особенно в областях, связанных с чистой энергией, где эффективность использования меди играет ключевую роль. В будущем команда исследователей планирует исследовать, как наноструктуры на поверхности порошков могут влиять на смешение различных материалов при печати, что открывает новые возможности для создания металлических композитов.

Технология, разработанная учеными, не только снижает затраты на производство, но и делает 3D-печать сложных металлов более доступной, энергоэффективной и экологически безопасной.