在古代，人们把在高温下烧红的生铁反复锤打，最终使生铁转化为钢。现在，英国剑桥大学领导的一个小组革新了技术，开发出一种三维（3D）打印金属的新方法，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。
概念图显示了研究团队的加工策略，在激光粉末床熔融加工过程中，在空间上操纵金属结构。图片来源：英国剑桥大学
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。
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。这些微妙而复杂的化学过程，如今在3D打印中得到了复现。研究团队用激光改变金属材料的内部结构，从而控制材料性能。我们还会在钢中加入铬、锰等元素，未来3D打印的钢材或许也能继续升级，呈现出不同的合金钢特性。