นักวิจัยยังไม่ได้รับการผลิตแบบเติมเนื้อหรือการพิมพ์ 3 มิติของโลหะจนถึงระดับวิทยาศาสตร์อย่างสมบูรณ์ ช่องว่างในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายในโลหะในระหว่างกระบวนการทำให้ผลลัพธ์ไม่สอดคล้องกัน แต่ความก้าวหน้าครั้งใหม่สามารถมอบความเชี่ยวชาญเหนือการพิมพ์โลหะ 3D ในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน

นักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST), KTH Royal Institute of Technology ในสวีเดน และสถาบันอื่นๆ ที่ใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่แตกต่างกัน 2 แห่ง ได้ตรวจดูโครงสร้างภายในของเหล็กในขณะที่มันถูกหลอมและแข็งตัวในระหว่างการพิมพ์ 3 มิติ ผลการวิจัยซึ่งเผยแพร่ใน  Acta Materiali  ปลดล็อกเครื่องมือคำนวณสำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านการพิมพ์ 3 มิติ ช่วยให้พวกเขาสามารถคาดการณ์และควบคุมคุณลักษณะของชิ้นส่วนที่พิมพ์ได้มากขึ้น ซึ่งอาจปรับปรุงความสอดคล้องและความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีสำหรับการผลิตขนาด   ใหญ่

วิธีการทั่วไปในการพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะเกี่ยวข้องกับการเชื่อมกลุ่มโลหะผงด้วยเลเซอร์ ทีละชั้น ให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ ในระหว่างขั้นตอนแรกของการพิมพ์ด้วยโลหะผสม ซึ่งวัสดุจะร้อนขึ้นและเย็นลงอย่างรวดเร็ว อะตอมของวัสดุซึ่งอาจเป็นเพียงองค์ประกอบเล็กๆ น้อยๆ จะรวมตัวกันก่อตัวเป็นผลึกตามลำดับ คริสตัลเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติ เช่น ความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อน ของชิ้นส่วนที่พิมพ์ โครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันสามารถเกิดขึ้นได้ โดยแต่ละโครงสร้างมีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป

“โดยพื้นฐานแล้ว ถ้าเราสามารถควบคุมโครงสร้างจุลภาคในระหว่างขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการพิมพ์ เราก็จะได้คริสตัลที่ต้องการ และสุดท้ายคือกำหนดประสิทธิภาพของชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมแต่ง” Fan Zhang นักฟิสิกส์ของ NIST ผู้ร่วมเขียนการศึกษากล่าว

แม้ว่ากระบวนการพิมพ์จะสิ้นเปลืองวัสดุน้อยกว่าและสามารถนำมาใช้ในการผลิตรูปทรงที่ซับซ้อนกว่าวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมได้ นักวิจัยก็ประสบปัญหาในการทำความเข้าใจวิธีการคัดท้ายโลหะไปยังคริสตัลบางประเภทมากกว่าชนิดอื่นๆ 

การขาดความรู้นี้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่น้อยกว่าที่ต้องการ เช่น ชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนแตกร้าวก่อนเวลาอันควรเนื่องจากโครงสร้างผลึก 

“ในบรรดาโลหะผสมหลายพันชนิดที่ผลิตโดยทั่วไป มีเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่สามารถสร้างโดยใช้การผลิตแบบเติมเนื้อได้” Zhang กล่าว

ความท้าทายอย่างหนึ่งสำหรับนักวิทยาศาสตร์คือการแข็งตัวระหว่างการพิมพ์โลหะ 3 มิติเกิดขึ้นในพริบตา 

เพื่อจับภาพปรากฏการณ์ความเร็วสูง ผู้เขียนการศึกษาใหม่ได้ใช้รังสีเอกซ์อันทรงพลังที่สร้างโดยเครื่องเร่งอนุภาคแบบไซคลิกที่เรียก ว่า  ซินโครตรอนที่ Advanced Photon Sourceของ Argonne National Laboratory   และ  Swiss Light Sourc ของสถาบัน Paul Scherrer

ทีมงานพยายามที่จะเรียนรู้ว่าอัตราการเย็นตัวของโลหะซึ่งสามารถควบคุมได้ด้วยการตั้งค่าพลังงานเลเซอร์และการเคลื่อนที่ ส่งผลต่อโครงสร้างผลึกอย่างไร จากนั้นนักวิจัยจะเปรียบเทียบข้อมูลกับการคาดการณ์แบบจำลองการคำนวณที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งพัฒนาขึ้นในยุค 80 ซึ่งอธิบายการแข็งตัวของโลหะผสม 

แม้ว่าโมเดลดังกล่าวจะได้รับความไว้วางใจสำหรับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม แต่คณะลูกขุนก็ได้พิจารณาถึงความสามารถในการนำไปใช้งานในบริบทเฉพาะของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วของการพิมพ์ 3 มิติ 

“การทดลองซินโครตรอนใช้เวลานานและมีราคาแพง ดังนั้นคุณไม่สามารถรันการทดลองเหล่านี้ได้ในทุกสภาวะที่คุณสนใจ แต่การทดลองเหล่านี้มีประโยชน์มากในการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองที่คุณสามารถใช้เพื่อจำลองสภาวะที่น่าสนใจได้” เกรตา ผู้ร่วมเขียนการศึกษากล่าว Lindwall รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่ KTH Royal Institute of Technology

ภายในซินโครตรอน ผู้เขียนได้ตั้งค่าเงื่อนไขการผลิตแบบเติมเนื้อสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อน ซึ่งเป็นโลหะชนิดหนึ่งที่ใช้ทำเครื่องมือที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ตามชื่อ 

ขณะที่เลเซอร์ทำให้โลหะกลายเป็นของเหลวและผลึกต่างๆ เกิดขึ้น ลำแสงเอ็กซ์เรย์จะตรวจสอบตัวอย่างด้วยพลังงานและความเร็วที่เพียงพอในการสร้างภาพกระบวนการที่เกิดขึ้นเพียงชั่วครู่ สมาชิกในทีมต้องการสิ่งอำนวยความสะดวกสองแห่งแยกกันเพื่อรองรับอัตราการทำความเย็นที่พวกเขาต้องการทดสอบ ซึ่งมีตั้งแต่อุณหภูมินับหมื่นไปจนถึงมากกว่าล้านเคลวินต่อวินาที 

ข้อมูลที่นักวิจัยรวบรวมได้บรรยายถึงการผลักและดึงระหว่างโครงสร้างผลึกสองชนิด ได้แก่ ออสเทนไนต์และเดลต้าเฟอร์ไรต์ ซึ่งส่วนหลังเกี่ยวข้องกับการแตกร้าวในชิ้นส่วนที่พิมพ์ เนื่องจากอัตราการทำความเย็นเกินกว่า 1.5 ล้านเคลวิน (2.7 ล้านองศาฟาเรนไฮต์) ต่อวินาที ออสเทนไนต์จึงเริ่มครองคู่แข่ง เกณฑ์วิกฤตนี้สอดคล้องกับสิ่งที่โมเดลบอกไว้ล่วงหน้า 

“แบบจำลองและข้อมูลการทดลองมีความสอดคล้องกันเป็นอย่างดี เมื่อเราเห็นผลลัพธ์ เราก็ตื่นเต้นมาก” จางกล่าว 

แบบจำลองนี้เป็นเครื่องมือที่เชื่อถือได้สำหรับการออกแบบวัสดุในการผลิตแบบดั้งเดิมมายาวนาน และตอนนี้พื้นที่การพิมพ์ 3 มิติก็อาจได้รับการสนับสนุนเช่นเดียวกัน 

ผลการวิจัยระบุว่าแบบจำลองสามารถแจ้งนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเกี่ยวกับอัตราการทำความเย็นที่ควรเลือกสำหรับขั้นตอนการแข็งตัวในช่วงต้นของกระบวนการพิมพ์ ด้วยวิธีนี้โครงสร้างผลึกที่เหมาะสมที่สุดจะปรากฏภายในวัสดุที่ต้องการ ทำให้การพิมพ์ 3D โลหะเป็นเรื่องง่ายด้วยการทอยลูกเต๋า 

“หากเรามีข้อมูล เราก็สามารถใช้มันเพื่อตรวจสอบแบบจำลองได้ นั่นคือวิธีที่คุณจะเร่งให้มีการนำการผลิตแบบเติมเนื้อมาใช้ในอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง” จางกล่าว