雷射速度決定金屬強度？3D列印更能預測成果

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2026/02/20 雷射速度決定金屬強度？3D列印更能預測成果

美國聯邦研究機構Lawrence Livermore National Laboratory最新研究指出，金屬3D列印只需調整雷射掃描速度，即可影響原子結構與機械性能，實現製程中的即時調控，大幅降低材料性能的不可預測性。

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這是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)新型增材製造高熵合金的藝術效果圖

金屬增材製造為何很難全面量產？
儘管金屬3D列印已在航太與國防領域廣泛應用，並能製造複雜的幾何結構零件，但在高性能與認證應用中仍面臨挑戰。

因為在列印過程中的「快速熔融與凝固」會形成非平衡的微觀結構，使材料強度、延展性與抗斷裂能力產生顯著變異。即使使用相同的製程設定，最終成品的機械表現仍可能不同。

研究團隊指出，高熵合金(High-Entropy Alloys)特別能突顯這項問題。這類合金由多種主要元素組成，擁有更大的設計空間和機械潛力，但同時對熱歷史高度敏感。冷卻速率的微小差異，都可能改變原子的排列方式，進而影響材料最終特性。

這是一張採用貴金屬增材製造技術製作的晶格結構的特寫

用雷射速度編程原子結構
為了理解製程參數如何影響材料行為，LLNL團隊結合熱力學模型與分子動力學模擬，研究雷射掃描速度如何影響凝固時的冷卻速率，以及原子的排列方式。

研究發現︰

1. 快的雷射掃描速度 → 提高冷卻速率 → 原子無法充分重組 → 形成非平衡結構 → 強度提升但增加脆性

2. 較慢的掃描速度 → 降低冷卻速率 → 原子可重新排列至較穩定結構 → 強度與延展性更均衡

以上說明在同一種合金系統下，只需調整一個列印參數，即可在「高強度」與「高延展性」之間取得不同的平衡，無須改變合金配方。

LLNL研究副主管表示：「我們現在已能設計真正發揮增材製造快速冷卻特性的材料。」

採用金屬3D列印的合金晶格

為何「可調性能」如此重要？
在航太、能源與國防產業中，零件必須在設計階段就明確知道材料性能，才能符合認證與安全標準。因此，工程師無法接受一個性能範圍過大的材料系統。

然而，傳統金屬3D列印因熱流差異而產生微觀結構波動，使性能難以精準預測。

近年研究已證實，在雷射粉末床熔融(LPBF)技術中，冷卻速率會影響晶粒結構、韌性與耐腐蝕性。部分團隊也嘗試透過調整雷射功率與掃描策略來預測、控制鎳基超合金的微觀結構。

但這些方法通常需要大量的參數最佳化和專屬的合金調校。

LLNL的研究則提出另一種可能——將製程參數視為材料設計工具，而非單純的操作設定。

金屬AM的下一步：製程即材料設計
儘管目前的成果主要基於模擬分析，尚未在大規模量產零件上全面驗證，但這項研究顯示一個重要方向——未來金屬增材製造，可能不再只是「列印形狀」，而是同時「設計材料性能」。

當雷射速度成為可調控原子結構的工具，金屬3D列印將從幾何自由度的突破，邁向材料可編程的新時代。

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