波音公司旗下的 HRL 实验室最近发表了一项冶金技术的重大突破，利用 3D 列印方式製造高强度的铝合金，如 7075 和 6061 铝合金 (注一)，这为 3D 列印技术开启了应用在工程用合金上的一扇门。
这些合金广泛应用在飞行器跟车辆上，但一直以来都无法透过 3D 打印製造，直到 HRL 的研究员的这个发现。额外的好消息是，他们的技术也可以应用在其他同样无法以 3D 列印製造的合金种类，像是高强度钢与镍基超级合金 ( nickel-based superalloy )。
HRL 感应器与材料实验室的工程师杭特．马汀 ( Hunter Martin ) 说：｢我们以 21 世纪的机器加上 70 年前的成核 ( nucleation ) 理论来解决这个百年难题。｣
这个研究由马汀与布莱南．八幡 ( Brennan Yahata ) 共同带领。他们的研究成果── 3D 列印高强度铝合金，于 9 月 21 日发表于《自然》期刊 ( Nature ) 上。
利用 3D 列印製造金属，通常由铺上薄层的合金粉末开始，用雷射或是其他直接热源来熔化与固化薄层。通常使用 6061 或像 7075 这类不能焊接的铝合金会发生严重的热裂 ( hot cracking )，一种让成品能像比司吉麵包一样掰开的现象。
我们也推荐 瑞士科学家用硅树脂製作 3D 列印心脏，形态功能与真实心脏相同 技术整合与突破HRL 的奈米颗粒功能化 ( nanoparticle functionalization ) 技术，在不可焊接的合金粉末中加入挑选过的奈米颗粒，再将混合后的粉末放入 3D 列印机，列印机会将粉末铺层并以雷射烧熔来建立三维物体。在熔化与固化的过程中，奈米颗粒扮演合金微结构中的成核点，防止加工零件产生热裂现象并保留完整的合金强度。
因为增量製造中的熔化与固化过程可以类比到焊接，所以 HRL 的技术可以应用于焊接原本不可以焊接的金属，它在规模上具备弹性并且使用低成本的材料，传统的合金粉末加上奈米颗粒便成了列印机的原料，其中在粉粒 ( powder grains ) 的表面均匀散布了奈米颗粒。
以信息学寻找奈米颗粒马汀解释：｢我们的第一个目标是找出如何根除热裂发生，我们寻找控制微结构的方法，它应该在材料固化时会自然发生。｣为了找出合适的奈米颗粒，HRL 团队与 Citrine Informatics 信息学公司合作，在无数的可能中整理出有他们所需性质的奈米颗粒，以前例而言为锆基 ( zirconium-based ) 的奈米颗粒。
八幡说：｢使用信息学 ( informatics ) 是关键。过去冶金学研究的方式是在週期表上逐一找寻可能的合金元素然后用试误法验证。信息学软体是用选择性的方法，透过我们已知的成核理论来找到有我们所需确切性质的材料。只要我们告诉他们要找的方向，他们的大数据分析便让数十万种可能的材料缩减到数种，我们再也不用大海捞针。｣
有了这个令人兴奋的新技术，HRL 站立在3D 列印金属技术的尖端。
注一：该四位数字是来自国际合金命名系统（International Alloy Designation System）对锻造用铝合金的代号，第一位数字表示主要合金元素，如6000系列为镁硅合金、7000系列为锌合金，第二位代表该合金的改版，末两位是该合金在系列中的编号。
参考资料：
Engineers 3-D print high-strength aluminum, solve ages-old welding problem using nanoparticles. (n.d.). Retrieved October 01, 2017. Martin, J. H., Yahata, B. D., Hundley, J. M., Mayer, J. A., Schaedler, T. A., & Pollock, T. M. (2017). 3D printing of high-strength aluminium alloys. Nature, 549(7672), 365-369. doi:10.1038/nature23894 Aluminium alloy. (2017, September 19). Retrieved October 01, 2017.