增材制造（additive manufacturing）是指基于離散-堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術體系。基于不同的分類原則和理解方式，增材制造技術還有快速原型、快速成形、快速制造、3D 打印等多種稱謂。

目前，應用于 3D 打印的金屬粉末材料主要有钛合金、钴鉻合金、不鏽鋼、鐵粉、鋁粉和鋁合金等少數幾種，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬材料。其中，鋁合金應用在 3D 打印中優勢在于其熔點低、密度低、可強化，并且可塑性好，易加工。但是，這種材料的缺陷在于，其化學活性高，導緻加工安全性低；強度低，機械性能不佳。

最近，美國 HRL 實驗室（The Harvard Robotics Laboratory）取得了突破進展，研究人員們開發了一種 3D 打印高強度鋁合金（包括典型的 AI7075 和 AI6061 ）的技術。

圖丨憑借該項新技術，美國 HRL 實驗室站在了金屬增材制造（用于研究、工業和防護等）的前列。（來源：HRL 實驗室的 M. Durant ）

Hunter Martin 和 Brennan Yahata 是該研究團隊的共同領導人，他們都是 HRL 實驗室的工程師、加州大學的博士。Hunter Martin 表示，“我們利用 21 世紀的機器，基于 70 年前的成核理論，解決了 100 年來未能解決的問題。”相關論文9 月 21 日發表在《自然》期刊上。

增材制造金屬通常是利用合金粉末作為原料，經過激光或者其他直接加熱光源加熱，使其熔化然後凝固成薄層，逐層打印。一般而言，如果是高強度不可焊接的鋁合金，比如 Al7075 或者 AL6061，“打印”得到的産品會出現嚴重的熱裂紋，這些裂紋可能使金屬像薄餅幹一樣可能被扯斷。

HRL 實驗室利用納米顆粒功能化方法解決了這個問題，即利用特定的納米顆粒修飾高強度不可焊接的合金粉末。經修飾的粉末裝入 3D 打印機，它可以将粉末分層，然後通過激光熔化每一層，最終制造出三維物體。在熔化和固化的過程中，納米顆粒的角色就是合金微觀結構的成核位置，從而預防熱裂紋的出現并完整地保留合金強度。

圖丨修飾的粉末裝入 3D 打印機，它可以将粉末分層，然後通過激光熔化每一層，最終制造出三維物體。（來源：HRL 實驗室的 B. Ferguson）

增材制造過程中的熔化和固化類似于焊接，所以 HRL 實驗室的納米顆粒功能化可用于将不可焊接的合金變成可焊接的。另外，該項技術可規模化生産，并且采用低成本材料，即傳統的合金粉末和納米顆粒。其中，納米顆粒均勻分布在粉末顆粒的表面。

Martin 解釋，“我們的第一目标是徹底清除熱裂紋，主要是調控了微觀結構。”

為了找到合适的納米顆粒（锆基納米顆粒），HRL 實驗室的研究團隊找到 Citrine Informatics 公司（該公司構建了體量龐大的材料數據庫），幫助他們在衆多可能的體系中尋找所需要的納米材料。

Yahata 解釋，“在我們的研究中，很關鍵的一點就是利用 informatics 軟件。冶金學通常就是根據元素周期表，找可能的合金元素，并不斷試錯。而利用 informatics 軟件，基于成核理論，則可以選擇性地尋找具有所需性能的材料。一旦我們告知 Citrine Informatics 需要找什麼，經過他們龐大的數據分析，就可以将可能的材料範圍從成百上千種縮減到具體的幾種，過程猶如大海撈針，難度可想而知。”

該技術開啟了工程用高強度合金增材制造的大門，并且制備出的合金非常适用于航空器和汽車零部件。

此外，該技術也适用于其他的合金體系，比如高強度鋼和鎳基超合金（目前用增材制造技術很難處理）。憑借這個令人興奮的新技術，美國 HRL 實驗室也站在了金屬增材制造（用于研究、工業和防護等）的前列。