پرینت سه‌ بعدی فولاد ضد زنگ

تولید فولاد ضد زنگ می‌تواند جهش بزرگی در صنایع هوافضا، خط لوله‌های نفتی، جوشکاری به شمار برود.پژوهشگرها می‌گویند توانایی پرینت سه‌بعدی فولاد ضد زنگ کم کربن درجه‌ی دریایی (316L) می‌تواند معنای زیادی برای صنایعی مثل هوافضا، خودرو و نفت و گاز داشته باشد.

فولاد ضد زنگ با عنوان «گرید دریایی» به خاطر  عملکرد در محیط‌های خورنده و چکش‌خواری بالا (توانایی خم شدن و انعطاف تحت فشار زیاد) ارزشمند است و همین ویژگی‌ها آن را به اولویت خط لوله‌های نفتی، جوشکاری، لوازم آشپزخانه، تجیهزات شیمیایی، واحدهای پزشکی، موتورخانه‌ها و انبارهای ضایعات هسته‌ای تبدیل می‌کند. با این حال، روش‌های معمولی افزایش استحکام  این گروه از فولادهای ضد‌ زنگ معمولا با هزینه‌ی از بین رفتن چکش‌خواری همراه است.

پژوهشگرهای آزمایشگاه ملی لاورنس لیمور با همکاری آزمایشگاه ملی آمِس، دانشگاه فناوری جورجیا و دانشگاه ایالتی اورِگان، به پیشرفت‌هایی در پرینت سه‌بعدی یکی از متداول‌ترین شکل‌های فولاد ضد زنگ درجه‌ی دریایی، موسوم به نوع کم‌کربن 316L دست یافته‌اند که ترکیبی غیر موازی از ویژگی‌های چکش‌خواری و استحکام بالا برای یک آلیاژ کامل ارائه می‌کند. این پژوهش به‌صورت‌ آنلاین در مجله‌ی Natural Materials تاریخ  ۳۰ اکتبر در دسترس است.

 

برای دستیابی به مؤلفه‌های پرینت سودمند و مفید، ویژگی‌های این مواد باید حداقل مشابه موادی باشند که در متالورژی سنتی ساخته می‌شوند. ما با فولاد ضد زنگ 316L قادر به پرینت سه‌بعدی مؤلفه‌های واقعی در آزمایشگاه خواهیم بود و عملکرد این ماده بهتر از موادی است که در روش سنتی ساخته شده‌اند. این یک جهش بزرگ است که فرآیند تولید را بسیار جذاب می‌سازد و یک شکاف بزرگ را در این صنعت پر می‌کند.

این روش می‌تواند دریچه‌هایی به سمت پرینت سه‌بعدی گسترده‌ی سازه‌های فولادی ضد زنگ به‌ویژه در زمینه‌ هوافضا، خودرو و نفت و گاز باز کند. در این صنایع برای مقاومت در محیط‌های خشن و ناملایم، نیاز به مواد محکم و سخت وجود دارد.

 

برای دستیابی به این هدف و فرا رفتن از نیازهای عملکردی لازم برای فولاد ضد زنگ 316L، محققان در درجه‌ی اول باید یکی از مشکلات اصلی را حل کنند که پتانسیل پرینت سه‌بعدی فلزهای باکیفیت را کاهش می‌دهد. منافذی که در طول گداخت (یا جوش) لیزری پودرهای فلزی ایجاد می‌شوند می‌توانند به شکست و تجزیه‌ی آسان‌تر بخش‌ها کمک کنند. پژوهشگرها این مشکل را با فرآیند بهینه‌سازی چگالی حل کرده‌اند که شامل آزمایش‌ها و مدل‌سازی کامپیوتری است و در این روش، میکروسازه‌ی اصلی مواد را تغییر می‌دهند.

این میکروسازه، محدودیت مبادله‌ی چکش‌خواری استحکام سنتی را می‌شکند؛ اگر  فولاد محکم‌تر بخواهید، چکش‌خواری آن را از دست می‌دهید. در روش سنتی، داشتن هر دو میسر نیست؛ اما در پرینت سه‌بعدی، می‌توانید این محدودیت را از بین ببرید.

 پژوهشگرها با استفاده از دو  دستگاه جوش متفاوت پودر لیزری ، برای تست مکانیکی به پرینت صفحات فولادی ضد زنگ 316L پرداختند. به گفته‌ محققان، روش جوش لیزری منجر به تولید سازه‌های سلول‌مانند سلسله‌مراتبی شد که می‌توان برای تغییر ویژگی‌های مکانیکی به تنظیم آن‌ها پرداخت.

کلید این کار اجرای کل دستورالعمل‌ها و نظارت بر ویژگی‌های به‌دست‌آمده است. وقتی به روش افزایشی به تولید 316L می‌پردازید، یک ساختار زبر جالب به دست می‌آید که مشابه یک پنجره‌ شیشه‌‌کاری منقوش است. این بافت‌ها زیاد کوچک نیستند؛ اما به نظر می‌رسد سازه‌های سلولی و نواقص دیگر داخل بافت‌ها که معمولا در فرآیند جوش دیده می‌شوند، این ویژگی‌ها را کنترل می‌کنند. البته ما هنوز در عمل محصولی بهتر از تولید سنتی نساخته‌ایم.

توماس وویسن، پژوهشگر دوره‌ی فوق دکترای LLNL، از سال ۲۰۱۶ به آزمایش ویژگی‌های گسترده‌ی فلزهای پرینت سه‌بعدی پرداخته است. او معتقد است این پژوهش می‌تواند دیدگاه‌های جدیدی در رابطه با رابطه‌ی ویژگی ساختار مواد تولید‌شده به روش افزایشی ارائه کند. به‌ باور وویسون:

تغییر شکل فلزها بر اساس حرکت نواقص در مقیاس نانو و تأثیر متقابل آن‌ها در میکروسازه کنترل می‌شود. در نتیجه این سازه‌ی سلولی مثل یک فیلتر عمل می‌کند و اجازه‌ی حرکت آزادانه به نواقص می‌دهد و به این ترتیب چکش‌خواری لازم را فراهم می‌کند؛ این در حالی است که از نواقص منجر به افت استحکام، جلوگیری می‌کند. مشاهده‌ی این مکانیزم‌ها و درک پیچیدگی آن‌ها، روش‌های جدید کنترل ویژگی‌های مکانیکی مواد پرینت سه‌بعدی را در اختیارمان می‌گذارد.

به‌گفته‌ی وانگ، این پروژه حاصل سال‌ها شبیه‌سازی، مدلسازی و آزمایش است که برای درک ارتباط بین ویژگی‌های مکانیکی و میکروسازه صورت گرفته است. او این فولاد ضد زنگ را سیستم «ماده‌ی جایگزین» نامیده که برای انواع فلزها قابل استفاده است.

هدف نهایی، پیاده‌سازی محاسبات با عملکرد بالا به منظور ارزیابی و پیش‌بینی عملکرد آینده‌ی فولاد ضد زنگ است که از مدل‌ها برای کنترل میکروسازه‌ی اصلی و کشف روش ساخت فولادهای باکیفیت، از جمله فولادهای مقاوم در برابر فرسایش استفاده می‌کند. پژوهشگرها در ادامه به بررسی کاربرد یک استراتژی مشابه با آلیاژ‌های سبک‌وزن می‌پردازند که شکننده‌تر هستند و بیشتر در معرض خرابی قرار می‌گیرند.

این پروژه با صرف سال‌ها زمان و همکاری سازمان‌ها و نهادهای مختلف اجرا شد. آزمایشگاه آمِس که از تجزیه‌ی اشعه‌ی ایکس برای درک عملکرد مواد استفاده کرد؛ جورجیا تک که برای درک استحکام و چکش‌خواری بالا به اجرای مدلسازی پرداخت و اورِگان استیت که تحلیل ترکیب و ویژگی را اجرا کرد.