إن الثغرات في فهمنا لما يحدث داخل المعدن أثناء العملية جعلت النتائج غير متسقة، ولكن باستخدام منشأتين مختلفتين لتسريع الجسيمات، توصل باحثون في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير و تكنولوجيا (NIST) والمعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في السويد ومؤسسات أخرى قد قاموا بدراسة الهيكل الداخلي للفولاذ حيث تم صهره ثم ترسيخه أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد.
والنتائج التي نشرت في اكتا ماتيريا ، أطلق العنان لأداة حسابية لمحترفي الطباعة ثلاثية الأبعاد ، مما يوفر لهم قدرة أكبر على التنبؤ بخصائص الأجزاء المطبوعة والتحكم فيها ، مما يحتمل أن يحسن اتساق التكنولوجيا وجدوى التصنيع على نطاق واسع.
تتضمن الطريقة الشائعة لطباعة القطع المعدنية أساسًا لحام برك من المعدن المسحوق بالليزر ، طبقة تلو طبقة ، في الشكل المطلوب.
خلال الخطوات الأولى للطباعة باستخدام سبيكة معدنية ، حيث تسخن المادة وتبرد بسرعة ، تتراكم ذراتها - التي يمكن أن تكون عبارة عن القليل من العناصر المختلفة - في تشكيلات بلورية مرتبة.
تحدد البلورات الخصائص ، مثل المتانة ومقاومة التآكل ، للجزء المطبوع. يمكن أن تظهر هياكل بلورية مختلفة ، ولكل منها مزاياها وعيوبها.
قال عالم الفيزياء NIST ، Fan Zhang ، وهو مؤلف مشارك في الدراسة: "بشكل أساسي ، إذا تمكنا من التحكم في البنية المجهرية أثناء الخطوات الأولية لعملية الطباعة ، فيمكننا الحصول على البلورات المرغوبة ، وفي النهاية ، تحديد أداء الأجزاء المصنعة بشكل إضافي".
في حين أن عملية الطباعة تهدر كمية أقل من المواد ويمكن استخدامها لإنتاج أشكال أكثر تعقيدًا من طرق التصنيع التقليدية ، فقد كافح الباحثون لفهم كيفية توجيه المعادن نحو أنواع معينة من البلورات على غيرهم.
أدى هذا النقص في المعرفة إلى نتائج أقل من المرغوب فيها ، مثل الأجزاء ذات الأشكال المعقدة التي تتشقق قبل الأوان بفضل بنيتها البلورية.
قال تشانغ: "من بين آلاف السبائك التي يتم تصنيعها بشكل عام ، يمكن صنع حفنة فقط باستخدام التصنيع الإضافي".
طابعة ثلاثية الأبعاد من نوع انصهار طبقة المسحوق الليزرية ، قيد التشغيل. يضيف انصهار طبقة المسحوق بالليزر طبقات متتالية من مسحوق المعدن ثم يستخدم الليزر لإذابة كل طبقة في مكانها على الجزء الذي يتم إنشاؤه.
يتمثل جزء من التحدي الذي يواجه العلماء في أن التصلب أثناء الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد يحدث في غمضة عين.
لالتقاط ظاهرة السرعة العالية ، استخدم مؤلفو الدراسة الجديدة أشعة سينية قوية ناتجة عن مسرعات الجسيمات الدورية ، المسماة السنكروترونات ، في مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرغون الوطني ومصدر الضوء السويسري التابع لمعهد بول شيرير.
سعى الفريق لمعرفة كيفية تأثير معدلات تبريد المعدن ، والتي يمكن التحكم فيها بواسطة طاقة الليزر وإعدادات الحركة ، على البنية البلورية. ثم يقارن الباحثون البيانات بتنبؤات نموذج حسابي واسع الاستخدام تم تطويره في الثمانينيات يصف تصلب السبائك.
في حين أن النموذج موثوق به لعمليات التصنيع التقليدية ، إلا أن هيئة المحلفين كانت خارجة عن مدى قابليته للتطبيق في السياق الفريد للتحولات السريعة في درجات الحرارة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
قالت غريتا ، مؤلفة الدراسة المشاركة: "تجارب السنكروترون تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة ، لذا لا يمكنك إجراؤها لكل حالة تهتم بها. لكنها مفيدة جدًا للتحقق من صحة النماذج التي يمكنك استخدامها بعد ذلك لمحاكاة الظروف المثيرة للاهتمام". Lindwall ، أستاذ مشارك في علوم وهندسة المواد في KTH Royal Institute of Technology.
داخل السنكروترونات ، وضع المؤلفون شروطًا لتصنيع المواد المضافة لأدوات الصلب الساخن - وهو نوع من المعدن يستخدم لصنع ، كما يوحي الاسم ، أدوات يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة.
عندما قامت أشعة الليزر بتسييل المعدن وظهرت بلورات مختلفة ، قامت أشعة الأشعة السينية بفحص العينات بما يكفي من الطاقة والسرعة لإنتاج صور للعملية العابرة. احتاج أعضاء الفريق إلى منشأتين منفصلتين لدعم معدلات التبريد التي أرادوا اختبارها ، والتي تراوحت بين درجات حرارة تصل إلى عشرات الآلاف إلى أكثر من مليون كلفن في الثانية.
وصفت البيانات التي جمعها الباحثون الدفع والشد بين نوعين من الهياكل البلورية ، الأوستينيت والدلتا الفريت ، والأخير مرتبط بالتشقق في الأجزاء المطبوعة. مع تجاوز معدلات التبريد 1.5 مليون كلفن (2.7 مليون درجة فهرنهايت) في الثانية ، بدأ الأوستينيت في السيطرة على منافسه. تصطف هذه العتبة الحرجة مع ما تنبأ به النموذج.
"النموذج والبيانات التجريبية متفقان بشكل جيد. قال تشانغ: "عندما رأينا النتائج ، كنا متحمسين حقًا".
لطالما كان النموذج أداة موثوقة لتصميم المواد في التصنيع التقليدي ، والآن يمكن توفير نفس الدعم لمساحة الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تشير النتائج إلى أن النموذج يمكنه إبلاغ العلماء والمهندسين بمعدلات التبريد التي يجب تحديدها لخطوات التصلب المبكرة لعملية الطباعة. وبهذه الطريقة ستظهر البنية البلورية المثالية داخل المادة المرغوبة ، مما يجعل الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد أقل من لفة النرد.
"إذا كانت لدينا بيانات ، فيمكننا استخدامها للتحقق من صحة النماذج. هذه هي الطريقة التي تسرع بها التبني الواسع النطاق للتصنيع الإضافي للاستخدام الصناعي ".