Naukowcy użyli lasera jak miksera. Powstają metale, o jakich nam się nie śniło

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) dokonali przełomu w metalowym druku 3D, który może całkowicie odmienić przemysł lotniczy i zbrojeniowy. Dzięki genialnej modyfikacji oprogramowania zmuszono wiązkę lasera do poruszania się po eliptycznych pętlach, co pozwala dosłownie „mieszać” płynny metal w trakcie procesu drukowania. Ta drobna zmiana toru pracy lasera sprawia, że istniejące na rynku maszyny mogą tworzyć ultrawytrzymałe, niemożliwe dotąd do uzyskania stopy bez konieczności wymiany drogiego sprzętu.

Jak zmusić laser do mieszania metalu? Przełom bez wymiany sprzętu

Większość zaawansowanych drukarek przemysłowych pracuje w technologii laserowego stapiania proszku metalowego (LPBF). Do tej pory proces ten wyglądał dość schematycznie: wiązka lasera poruszała się po liniach prostych, topiąc kolejne warstwy surowca. Problem polegał na tym, że powstałe w ten sposób mikrojeziorka płynnego metalu stygły zbyt szybko, przez co poszczególne składniki nie miały czasu dobrze się ze sobą połączyć. Badacz z NIST wpadł na pomysł, aby zmusić laser do kreślenia dynamicznych, nakładających się na siebie elips.

Dzięki temu prostemu zabiegowi płynny metal jest nieustannie mieszany tuż przed zakrzepnięciem, co eliminuje powstawanie słabych punktów i wewnętrznych defektów struktury. Najlepsza wiadomość dla właścicieli fabryk jest taka, że wdrożenie tej technologii nie wymaga zakupu nowych maszyn. Cały sekret tkwi w kodzie sterującym. Ponieważ fabryczne oprogramowanie komercyjnych drukarek nie pozwalało na tak skomplikowane operacje, zespół NIST napisał własne oprogramowanie od zera, udowadniając, że rewolucja w produkcji może dokonać się za pomocą zwykłej aktualizacji software’u.

Rentgen 500 miliardów razy silniejszy od dentystycznego, czyli dowód w ułamku sekundy

Aby potwierdzić, że nowa metoda rzeczywiście działa, a metale tworzą idealnie jednorodny stop zamiast rozwarstwiać się, naukowcy musieli zajrzeć w głąb procesu, który trwa ułamek sekundy. W tym celu połączyli siły z Argonne National Laboratory, wykorzystując gigantyczny akcelerator cząstek Advanced Photon Source. Urządzenie to generuje wiązkę promieniowania X aż 500 miliardów razy mocniejszą niż standardowy aparat u dentysty.

Dzięki tak potężnej aparaturze badacze mogli w czasie rzeczywistym obserwować dyfrakcję atomową wewnątrz stygnącego metalu. W trakcie eksperymentu z powodzeniem połączono niezwykle gęsty stop wysokiej entropii (RHEA-19) z lekkim stopem tytanu. Wyniki były zdumiewające: mikroskopia elektronowa potwierdziła idealną strukturę krystaliczną nowo powstałego materiału. Samo śledzenie zmian fazowych przy tak zawrotnej prędkości zostało uznane w świecie nauki za ogromne osiągnięcie metodologiczne.

Koniec z wadami odlewów i ograniczeniami fizyki

Mieszanie różnych metali od zawsze było zmorą metalurgii. Każdy pierwiastek ma przecież inną gęstość, temperaturę topnienia i napięcie powierzchniowe. Podczas tradycyjnego stygnięcia składniki mają naturalną tendencję do separacji, co prowadzi do powstawania kruchych, plamistych stref w gotowym produkcie. Zjawisko to jest szczególnie uciążliwe przy tzw. stopach wysokiej entropii, które składają się z pięciu lub więcej metali w podobnych proporcjach. Eliptyczny ruch lasera całkowicie eliminuje ten fizyczny problem.

Drukowanie „na żądanie” i płynne przechodzenie materiałów

Wizja przyszłości, jaką rysuje NIST, jest fascynująca dla całego sektora przemysłu ciężkiego. Zamiast kupować i magazynować dziesiątki różnych, drogich proszków z gotowymi stopami, fabryki będą mogły zasilać drukarki czystymi, podstawowymi elementami metalowymi. Maszyna sama, w locie, zmiesza je w odpowiednich proporcjach za pomocą lasera.

Co więcej, technologia ta pozwala na płynną zmianę składu chemicznego w obrębie jednego, drukowanego elementu. Oznacza to, że łopatka turbiny odrzutowej może być z jednej strony wykonana z metalu odpornego na ekstremalne temperatury, a z drugiej z materiału lżejszego i bardziej elastycznego – wszystko to bez ani jednego spawu czy łączenia, które mogłoby ulec awarii pod wpływem przeciążeń.

Programowa ewolucja druku 3D

Publikacja naukowa, która ukazała się na łamach prestiżowego magazynu Additive Manufacturing, jasno wskazuje kierunek rozwoju druku 3D. Przejście z tradycyjnych ścieżek lasera na wzory eliptyczne to genialny w swojej prostocie dowód na to, że optymalizacja oprogramowania może przynieść lepsze skutki niż kosztowna wymiana parku maszynowego. Choć druk 3D z metalu pozostaje procesem niezwykle wymagającym, to właśnie takie innowacje przybliżają nas do ery, w której spersonalizowane, superwytrzymałe części maszyn będą powstawać dosłownie za kliknięciem jednego przycisku.