چگونه خودروی خود را با چاپ 3D بسازیم: تکنیک‌های نوین و کارآمد

پیشرفت در چاپ سه‌بعدی چند ماده‌ای در دانشگاه توهوکو

محققان در مرکز تحقیقاتی مواد و ایجاد صنایع جدید دانشگاه توهوکو موفق به دستیابی به یک پیشرفت در تکنیک چاپ سه‌بعدی چند ماده‌ای شده‌اند و فرآیند تولید یک قطعه خودرو سبک و در عین حال با دوام را به نمایش گذاشته‌اند. در فرآیند چاپ سه‌بعدی فلز، اشیاء با قرار دادن لایه به لایه فلزات ساخته می‌شوند و از حرارت برای پیوند آن‌ها به یکدیگر استفاده می‌شود. دقت چاپ سه‌بعدی امکان تولید اشکال منحصر به فرد و قابل تنظیم را فراهم می‌کند که معمولاً محصولات جانبی کمتری نسبت به روش‌های سنتی تولید ایجاد می‌نمایند.

ساختارهای چند ماده‌ای که به‌طور استراتژیک مواد مختلف را برای عملکرد بهینه یک جزء ترکیب می‌کنند، نیز می‌توانند از طریق چاپ سه‌بعدی ایجاد شوند. به عنوان مثال، قطعات فولادی خودرو می‌توانند با ترکیب با آلومینیوم سبک‌تر شوند. به دلیل این مزایا، تسلط بر این تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی توجه زیادی از سوی محققان را به خود جلب کرده است.

با این حال، این تکنیک با چالش‌هایی نیز مواجه است. استاد یاماناکا، استاد یار دانشگاه توهوکو، می‌گوید: “چند ماده‌ای‌ها موضوع داغی در زمینه تولید افزایشی هستند به‌دلیل انعطاف‌پذیری فرآیند آن.” او ادامه می‌دهد: “اما یک چالش بزرگ در پیاده‌سازی عملی این است که برای برخی ترکیب‌های فلزی، مانند فولاد و آلومینیوم، ممکن است ترکیبات بین فلزی شکننده در مرزهای فلزات ناهمگن تشکیل شوند.”

تولید آلیاژ فولاد-آلومینیوم سبک و مقاوم

در حالی که مواد اکنون سبک‌تر شده‌اند، اما در عوض ممکن است شکننده‌تر شوند. هدف این مطالعه تولید یک آلیاژ فولاد-آلومینیوم بود که سبک باشد اما قدرت خود را از دست ندهد. برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی از فناوری ذوب پودر لیزری (L-PBF) استفاده کرد که یکی از تکنولوژی‌های اصلی چاپ سه‌بعدی فلزات است و از لیزر برای ذوب انتخابی پودرهای فلزی بهره می‌برد.

آن‌ها دریافتند که افزایش سرعت اسکن لیزر به‌طور قابل توجهی تشکیل ترکیبات بین‌فلزی شکننده (مانند Al5Fe2 و Al13Fe4) را کاهش می‌دهد. آن‌ها پیشنهاد کردند که این سرعت بالای اسکن منجر به چیزی به نام جامد شدن غیرتعادلی می‌شود که تقسیم محلول را به حداقل می‌رساند و نقاط ضعفی در ماده ایجاد نمی‌کند. محصول نهایی که آن‌ها تولید کردند، در نتیجه دارای رابط‌های پیوندی قوی بود.

به گفته استاد ویژه منصوب شده، سئونگ‌کیون ییم از دانشگاه توهوکو، “به عبارت دیگر، شما نمی‌توانید فقط دو فلز را به هم بچسبانید و انتظار داشته باشید که بدون برنامه بچسبند. ما ابتدا باید مکانیزم آلیاژسازی درجا را به‌طور کامل درک می‌کردیم.”

بر اساس این دستاورد، آن‌ها موفق به پروتوتایپ‌سازی اولین قطعه چند ماده‌ای خودرویی به‌صورت تمام‌مقیاس (برج تعلیق) با هندسه سفارشی شدند. گروه تحقیقاتی قصد دارد این یافته‌ها را به ترکیبات فلزی دیگر که نیاز به بهبود در پیوند دارند، اعمال کند که این امر به کاربردهای وسیع‌تری منجر خواهد شد. نتایج این تحقیق در تاریخ 19 نوامبر 2024 در نشریه تولید افزایشی منتشر شد.