劍橋大學領導的研究小組開發出一種新技術，利用高能量雷射微調三維列印金屬的特性，同時不影響其形成的複雜形狀。事實證明，積層製造或三維列印技術是一種日益強大的工程和製造工具，但它遠非萬能。事實上，它往往存在一些重大缺陷，需要新的方法來克服。

三維印刷金屬通常是用一台機器以細粉的形式鋪設薄層金屬合金。然後在數位模型的引導下，使用雷射或電子束熔化或燒結這層金屬，然後再添加一層。列印完成後，多餘的粉末被掃除，露出最終產品。

透過這種列印技術，可以快速形成非常複雜的形狀。問題是，用金屬製作的東西不僅僅是形狀。金屬的物理、化學和機械特性之間也存在著複雜的相互作用。如果控制不當，最終產品就可能是廢品。

一個非常簡單的例子就是3D 列印刀。我們有可能製造出一種非常奇特的刀片，展現出通常用傳統方法幾乎不可能實現的曲線和細節，但如果不考慮金屬本身的特性，這種刀片可能會像花生脆一樣折斷，或者軟得像黃油一樣，無法更好地保持刃口。

在製造複雜形狀時，這是一個顯而易見的挑戰。不過，金屬工人經過數千年的實踐，並在過去幾個世紀中藉助一些新興科學的幫助，已經開發出了屢試不爽的控制金屬特性的技術。

從本質上講，這涉及到透過不同的加熱和擊打方法來改變金屬的晶體結構。透過控制加熱、冷卻和鍛造，可以對金屬的結構進行微調，直到適合手術刀和工字鋼等各種材料。

這對於形狀簡單的金屬物體來說還不錯，但我們不能把複雜的3D列印形狀塞進熔爐或用錘子敲打，這樣就失去了使用3D列印技術製造金屬的初衷。相反，劍橋團隊（包括來自新加坡、瑞士、芬蘭和澳洲的研究人員）選擇使用雷射在原位改變金屬。

他們的想法是，雷射會選擇性地熔化不銹鋼製成的物體上的斑點，從而改變其晶體結構。透過這種方式，他們可以使列印金屬變得堅固，同時消除這種列印金屬容易表現出的脆性。微小尺度的選擇性再加熱將雷射變成了微型錘子。

這種技術無法複製傳統的金屬加工工藝，因此研究小組轉而採用一種古老的技術來實現類似的效果。製作高品質劍刃的一種方法是使用兩種不同的金屬，如鋼和鐵，然後將它們多次焊接和折疊在一起。這樣製作出的劍刃層次分明，兩種金屬相互映襯，使鑄劍師不僅能控制整個劍刃的特性，還能控制特定部分的特性，因此劍刃的中心部分富有彈性，而邊緣部分則足夠堅硬，可以磨得很鋒利。

劍橋大學的研究小組也想出了類似的辦法，他們交替使用雷射處理過的點和未處理過的點。這使他們能夠在很大程度上控制物體的最終特性。

「我們認為這種方法有助於降低金屬三維列印的成本，進而提高金屬製造業的可持續發展能力，」團隊負責人、劍橋大學工程系的Matteo Seita 博士說。”在不久的將來，我們還希望能夠繞過熔爐中的低溫處理，進一步減少在工程應用中使用3D列印部件前所需的步驟數量”。

這項研究發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。