چاپ سه‌بعدی، «سد دمای بالا» آلومینیوم را شکست

پژوهشگران دانشگاه ناگویا ژاپن اعلام کردند با تکیه بر یک روش نو در چاپ سه‌بعدی فلزات (فرایند Laser Powder Bed Fusion / LPBF)، خانواده‌ای از آلیاژهای تازه آلومینیوم ساخته‌اند که مشکل قدیمیِ افت استحکام آلومینیوم در دماهای بالا را هدف گرفته است. بر اساس این گزارش، این آلیاژها با استفاده از عناصر کم‌هزینه و در دسترس طراحی شده‌اند، ۱۰۰٪ قابلیت بازیافت دارند و یکی از ترکیب‌ها در آزمون‌ها حتی در دمای ۳۰۰°C نیز «استحکام و انعطاف‌پذیری» را هم‌زمان حفظ کرده است.

در توضیح سازوکار، تیم پژوهشی می‌گوید «هسته طراحی» بر آهن متمرکز است؛ عنصری که معمولاً در آلیاژهای آلومینیوم با احتیاط استفاده می‌شود، چون می‌تواند خوردگی و تردی را تشدید کند. اما در LPBF، سردشدن بسیار سریع باعث می‌شود فلز مذاب در چند ثانیه منجمد شود و همین نرخ انجماد، امکان شکل‌گیری فازهای متاپایدار و ریزساختارهایی را فراهم می‌کند که در روش‌های متداول تولید به‌سختی قابل دستیابی است.

این گروه همچنین از یک «روش سیستماتیک انتخاب عناصر» خبر داده است: ابتدا پیش‌بینی می‌کنند کدام عناصر می‌توانند ماتریس آلومینیوم را تقویت کنند و کدام‌ها قادرند سازه‌های میکرو/نانوی محافظ ایجاد کنند؛ سپس پیش‌بینی‌ها را با ساخت آلیاژهای آزمایشی (از جمله با مس، تیتانیوم و منگنز) و بررسی‌های میکروسکوپ الکترونی راستی‌آزمایی کرده‌اند. طبق نتایج گزارش‌شده، آلیاژهای برتر معمولاً در سامانه Al–Fe–Mn–Ti شکل گرفته‌اند؛ ترکیبی که به گفته پژوهشگران، «استحکام در دماهای بالا» را با «انعطاف‌پذیری در دمای محیط» توأمان ارائه می‌دهد.

از منظر کاربرد، گزارش می‌گوید این مواد می‌توانند به ساخت قطعات سبک آلومینیومی برای بخش‌های داغ‌تر مانند روتورهای کمپرسور و اجزای توربین کمک کنند؛ جایی که کاهش وزن، به کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش انتشار آلاینده‌ها شناخته می‌شود. افزون بر خودرو، هوافضا هم به‌عنوان یکی از ذی‌نفعان اصلی معرفی شده، زیرا موتورهای هوایی به مواد «سبک و مقاوم به حرارت» نیاز دارند. تیم پژوهشی تأکید کرده این کار، علاوه بر معرفی آلیاژهای جدید، یک «چارچوب طراحی» برای توسعه فلزات ویژه چاپ سه‌بعدی ارائه می‌کند که می‌تواند مسیر توسعه مواد در صنایع مختلف را سریع‌تر کند.