تیمی از مهندسان تحت رهبری MIT روشی ساده و ارزان را برای تقویت یکی از مواد کلیدی مورد استفاده در کاربردهای هوافضا و تولید انرژی گزارش کرده اند – افزایش توانایی این مواد برای مقاومت در برابر شرایط شدید مانند دماهای بالا و تنش های کششی. گفته می شود تیم معتقد است که رویکرد کلی آنها، که شامل چاپ سه بعدی پودر فلزی تقویت شده با نانوسیم های سرامیکی است، می تواند برای بهبود بسیاری از مواد دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
“این ترکیب یکی از اولین مواردی بود که ما روی آن تصمیم گرفتیم، بنابراین دریافت این نتایج در زندگی واقعی بسیار هیجان انگیز بود. هنوز فضای اکتشافی وسیعی وجود دارد. Emre Tekoğlu، یکی از نویسندگان اصلی مقاله، گفت: ما به بررسی فرمول‌های کامپوزیت جدید اینکونل ادامه می‌دهیم تا به موادی برسیم که می‌توانند در محیط‌های شدیدتر مقاومت کنند.
دقت و مقیاس پذیری که با پرینت سه بعدی همراه است، دنیایی از امکانات جدید را برای طراحی مواد باز کرده است. الکساندر اوبراین، یکی دیگر از نویسنده‌های اصلی، گفت: نتایج ما در اینجا یک گام اولیه هیجان‌انگیز در فرآیندی است که مطمئناً تأثیر عمده‌ای بر طراحی هسته‌ای، هوافضا و تولید انرژی در آینده خواهد داشت.
رویکرد تیم با Inconel 718 یا فلز جایگزینی که قادر به تحمل شرایط شدید مانند دمای 700 درجه سانتیگراد (تقریباً 1300 درجه فارنهایت) است، آغاز می شود. آنها سپس پودرهای تجاری Inconel 718 را با تعداد کمی نانوسیم سرامیکی آسیاب می‌کنند و به گفته این تیم، «تزیین همگن نانو سرامیک‌ها روی سطوح ذرات اینکونل» ایجاد می‌شود. پودر حاصل برای ایجاد قطعات از طریق همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) استفاده می شود.
به گفته لی، این فرآیند به خودی خود گران نیست زیرا «با دستگاه های چاپ سه بعدی موجود کار می کند. فقط از پودر ما استفاده کنید و عملکرد بسیار بهتری خواهید داشت.”
“همیشه نیاز قابل توجهی برای توسعه مواد با قابلیت بیشتر برای محیط های شدید وجود دارد. ما معتقدیم که این روش پتانسیل زیادی برای مواد دیگر در آینده دارد.”
عملکرد تقویت شده
در این مقاله، نویسندگان روش جدیدی را برای چاپ کامپوزیت های زمینه فلزی Inconel 718 پیشنهاد می کنند که توسط [ceramic] نانوسیم ها انحلال درجا سرامیک که توسط فرآیند ذوب لیزری القا می شود، مقاومت حرارتی و استحکام Inconel 718 را افزایش داده است. ژو سونگ، استادیار دانشگاه چینی هنگ کنگ که در این کار دخالتی نداشت، اظهار داشت: چاپ سه بعدی آلیاژهای فلزی، از جمله اصلاح برای مس با بازتاب بالا و مهار شکست برای سوپرآلیاژها، به وضوح می تواند از این تکنیک بهره مند شود.
امکانات جدید
لی می‌گوید که این کار «می‌تواند فضای بزرگ جدیدی را برای طراحی آلیاژ بگشاید» زیرا سرعت خنک‌سازی لایه‌های پرینت سه بعدی بسیار نازک آلیاژهای فلزی بسیار سریع‌تر از سرعت قطعات حجیم ایجاد شده با استفاده از فرآیندهای متداول انجماد مذاب است. در نتیجه، «بسیاری از قوانین مربوط به ترکیب شیمیایی که برای ریخته‌گری انبوه اعمال می‌شود، به نظر نمی‌رسد برای این نوع چاپ سه‌بعدی اعمال شود. بنابراین ما فضای ترکیبی بسیار بزرگتری برای کشف فلز پایه با افزودنی های سرامیکی داریم.
این کار توسط Eni SpA از طریق MIT Energy Initiative، بنیاد ملی علوم و ARPA-E پشتیبانی شد.
محققان دریافتند که قطعات ساخته شده با پودر جدید آنها به طور قابل توجهی تخلخل کمتر و ترک های کمتری نسبت به قطعات ساخته شده از Inconel 718 به تنهایی دارند که منجر به قطعات بسیار قوی تر می شود که چندین مزیت دیگر نیز دارند. به عنوان مثال، قطعات انعطاف پذیرتر – یا کشش – و مقاومت بسیار بهتری در برابر تشعشع و بارگذاری در دمای بالا دارند.