นักวิทยาศาสตร์ชาวฮ่องกงพัฒนาการพิมพ์ 3 มิติขนาดจิ๋วเพื่อสร้างโลหะผสมไทเทเนียมที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ
การศึกษาที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ที่ City University of Hong Kong ใช้การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (โดยทั่วไปเรียกว่าการพิมพ์ 3 มิติ) เพื่อประสบความสำเร็จในการพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ มีความเหนียวสูง และมีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ การค้นพบของพวกเขาเปิดแนวทางใหม่ในการออกแบบโลหะผสมที่มีโครงสร้างและคุณสมบัติที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการใช้งานโครงสร้างต่างๆ
การพิมพ์ 3 มิติ: เป็นมากกว่าเทคโนโลยีการขึ้นรูป
คนส่วนใหญ่คิดว่าการพิมพ์ 3 มิติเป็นเทคโนโลยีปฏิวัติวงการที่สามารถผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ในขั้นตอนเดียว “อย่างไรก็ตาม เราได้เปิดเผยศักยภาพที่สำคัญของมันในการออกแบบวัสดุ มากกว่าแค่การออกแบบรูปทรงเรขาคณิต นักโลหะวิทยามักจะเชื่อว่าการขาดความสม่ำเสมอในองค์ประกอบของโลหะผสมนั้นเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากสามารถนำไปสู่คุณสมบัติที่ไม่พึงประสงค์ เช่น ความเปราะบาง ในกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อ วิธีกำจัดความไม่สม่ำเสมอในกระบวนการทำความเย็นอย่างรวดเร็วถือเป็นประเด็นสำคัญประการหนึ่ง
ออกแบบโครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์
"ลักษณะเฉพาะของการผลิตแบบเติมเนื้อทำให้เรามีอิสระมากขึ้นในการออกแบบโครงสร้างจุลภาค" ดร. จาง ผู้เขียนคนแรกของบทความนี้อธิบาย "โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้พัฒนาวิธีการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันบางส่วนที่ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตโลหะผสมที่มีการไล่ระดับความเข้มข้นระดับไมครอน ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการผลิตวัสดุแบบเดิมๆ"
วิธีการที่พวกเขาเสนอนั้นรวมถึงการใช้ลำแสงเลเซอร์โฟกัสเพื่อละลายและผสมผงโลหะผสมสองชนิดและผงสแตนเลส ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์ เช่น กำลังเลเซอร์และความเร็วในการสแกนในระหว่างขั้นตอนการพิมพ์ 3 มิติ ทีมงานประสบความสำเร็จในการสร้างองค์ประกอบที่ไม่สม่ำเสมอขององค์ประกอบในโลหะผสมใหม่ในลักษณะที่ได้รับการควบคุม
(แผนที่การวางแนวเกรนที่พิมพ์แบบ 3 มิติของโลหะผสมไทเทเนียม)
ศาสตราจารย์หลิวกล่าวว่า นอกเหนือจากการใช้การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุแล้ว องค์ประกอบของส่วนผสมที่เป็นผงทั้งสองชนิดเป็นกุญแจสำคัญอีกประการหนึ่งในการสร้างโครงสร้างจุลภาคที่มีลักษณะคล้ายลาวาที่สามารถแพร่กระจายได้สูงอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในโลหะผสมชนิดใหม่ โครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้มีคุณสมบัติทางกลสูงสุด ทำให้โลหะผสมมีความแข็งแกร่งและมีน้ำหนักเบา ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโลหะผสมไทเทเนียมใหม่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม
โลหะผสมใหม่: เบากว่า 40% แข็งแกร่งเป็นพิเศษ
โดยทั่วไปมวลของเหล็กกล้าไร้สนิมจะอยู่ที่ 7.9 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ในขณะที่มวลของโลหะผสมใหม่จะอยู่ที่เพียง 4.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเบากว่าประมาณ 40% ในการทดลอง โลหะผสมไทเทเนียมที่มีโครงสร้างคล้ายลาวามีความต้านทานแรงดึงสูงถึง ~1.3 กิกะปาสกาล โดยมีการยืดตัวสม่ำเสมอประมาณ 9% นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการชุบแข็งงานที่ดีเยี่ยมมากกว่า 300MPa ซึ่งรับประกันความปลอดภัยอย่างมากก่อนที่จะแตกหัก ซึ่งมีประโยชน์มากในการใช้งานเชิงโครงสร้าง
คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้มีแนวโน้มการใช้งานโครงสร้างที่ดีในสถานการณ์ต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ เคมี และการแพทย์ ในฐานะทีมแรกที่ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อพัฒนาโลหะผสมใหม่ที่มีโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ เราจะนำแนวคิดการออกแบบนี้ไปใช้กับระบบโลหะผสมต่างๆ และสำรวจคุณสมบัติอื่นๆ ของโลหะผสมใหม่ต่อไป