تولید افزودنی به عنوان یک رویکرد قدرتمند برای توسعه مواد ظاهر شده است. پرینت سه بعدی مبتنی بر لیزر می‌تواند گرادیان‌های دمایی زیاد و نرخ‌های خنک‌کننده بالایی ایجاد کند که به آسانی از طریق مسیرهای معمولی قابل دسترسی نیستند. با این حال، زو گفت: «پتانسیل استفاده از مزایای ترکیبی تولید افزودنی و HEAs برای دستیابی به خواص جدید تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است.
گروه ژو در فناوری جورجیا رهبری مدل‌سازی محاسباتی این تحقیق را بر عهده داشت. او مدل‌های محاسباتی پلاستیسیته کریستالی دو فازی را برای درک نقش‌های مکانیکی نانولاملاهای FCC و BCC و نحوه کار آنها با هم برای ایجاد استحکام و شکل‌پذیری بیشتر به مواد ایجاد کرد.
در 15 سال گذشته، آلیاژهای آنتروپی بالا (HEAs) به طور فزاینده ای در علم مواد محبوب شده اند. متشکل از پنج یا چند عنصر در نسبت‌های تقریباً مساوی، آنها توانایی ایجاد تعداد تقریباً نامتناهی از ترکیبات منحصر به فرد را برای طراحی آلیاژ ارائه می‌دهند. آلیاژهای سنتی مانند برنج، فولاد کربن، فولاد ضد زنگ و برنز حاوی یک عنصر اولیه همراه با یک یا چند عنصر کمیاب هستند.
جی رن، دکترای چن گفت: «قابلیت تولید HEA های قوی و انعطاف پذیر به این معنی است که این مواد چاپ شده سه بعدی در مقاومت در برابر تغییر شکل اعمالی قوی تر هستند، که برای طراحی ساختاری سبک وزن برای افزایش کارایی مکانیکی و صرفه جویی در انرژی مهم است. دانشجو و نویسنده اول مقاله
چن و تیمش در آزمایشگاه مواد و تولید چند مقیاسی، یک HEA را با فناوری همجوشی بستر پودر لیزری ترکیب کردند تا مواد جدیدی با خواص بی‌سابقه تولید کنند. به گفته چن، از آنجایی که این فرآیند باعث می شود که مواد در مقایسه با متالورژی سنتی بسیار سریع ذوب و جامد شوند، “شما یک ریزساختار بسیار متفاوت را دریافت می کنید که فاصله زیادی با تعادل دارد” در اجزای ایجاد شده. به گفته UMass، این ریزساختار شبیه یک شبکه است و از لایه‌های متناوب به نام‌های مکعبی (FCC) و ساختارهای نانولایه‌ای مکعبی بدن محور (BCC) ساخته شده است که در کلونی‌های یوتکتیک در مقیاس میکرو با جهت‌گیری‌های تصادفی تعبیه شده‌اند. HEA سلسله مراتبی نانوساختار، تغییر شکل مشارکتی دو فاز را امکان پذیر می کند.
محققان دانشگاه ماساچوست آمهرست و موسسه فناوری جورجیا یک آلیاژ دوفاز، نانوساختار و با آنتروپی بالا را پرینت سه بعدی کرده‌اند که از استحکام و شکل‌پذیری دیگر مواد پیشرفته‌تر ساخته شده با مواد افزودنی فراتر می‌رود. منجر به اجزای با کارایی بالاتر برای کاربرد در هوافضا، پزشکی، انرژی و حمل و نقل می شود. این کار با عنوان «آلیاژهای قوی و در عین حال انعطاف‌پذیر نانولایه‌ای با آنتروپی بالا توسط تولید افزودنی» توسط Wen Chen، استادیار مهندسی مکانیک و صنایع در UMass، و Ting Zhu، استاد مهندسی مکانیک در Georgia Tech هدایت شد.
«نتایج شبیه‌سازی ما پاسخ‌های استحکام بالا و در عین حال سخت شدن بالا را در نانولاملاهای BCC نشان می‌دهد، که برای دستیابی به هم‌افزایی برجسته استحکام و شکل‌پذیری آلیاژ ما حیاتی است. این درک مکانیکی مبنای مهمی برای هدایت توسعه آینده HEA های پرینت سه بعدی با خواص مکانیکی استثنایی فراهم می کند.
چن می گوید: «بازآرایی اتمی این ریزساختار غیرمعمول باعث استحکام فوق العاده بالا و همچنین شکل پذیری افزایش یافته می شود که غیرمعمول است، زیرا معمولاً مواد قوی ترد هستند. او ادامه داد: در مقایسه با ریخته‌گری فلزات معمولی، “ما تقریباً سه برابر استحکام داشتیم و نه تنها انعطاف‌پذیری را از دست ندادیم، بلکه در واقع به طور همزمان آن را افزایش دادیم.” برای بسیاری از کاربردها، ترکیبی از استحکام و شکل‌پذیری کلیدی است. یافته های ما برای علم مواد و مهندسی به طور یکسان بدیع و هیجان انگیز است.
علاوه بر UMass Amherst و Georgia Tech، شرکای تحقیقاتی در این مقاله عبارتند از دانشگاه A&M تگزاس، دانشگاه کالیفرنیا لس آنجلس، دانشگاه رایس، و آزمایشگاه‌های ملی Oak Ridge و Lawrence Livermore. این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.
علاوه بر این، چاپ سه بعدی ابزار قدرتمندی برای ایجاد قطعات هندسی پیچیده و سفارشی است. در آینده، بهره گیری از فناوری چاپ سه بعدی و فضای طراحی آلیاژ وسیع HEA ها فرصت های زیادی را برای تولید مستقیم اجزای نهایی برای کاربردهای زیست پزشکی و هوافضا باز می کند.