در حال بررسی...چاپ سه بعدی فلزات
اگرچه چاپ سه بعدی قطعات پلاستیکی و فولاد متخلخل با اقبال خوبی روبرو شده، اما این قطعات برای کاربردهای صنعتی نیازمند به هسته سخت جهت کار در محیط عملیاتی دشوار و پیچیده، کارایی چندانی ندارند. محققان موسسه فناوری ماساچوست موسوم به MIT، روش جدیدی را برای عملیات حرارتی توسعه داده‌اند که فلزات چاپ سه‌بعدی را تقویت کرده و مقاومت آنها را در برابر دمای محیطی بالا افزایش می‌دهد.
با توجه به پیشرفت در این حوزه، در حال حاضر، امکان چاپ سه‌بعدی پره‌های ثابت و متحرک با کارآیی بالا برای توربین‌های گاز و حتی موتورهای توربینی وجود دارد. این نوآوری می‌تواند برای صنعت فلزات به دلیل دسترسی به چاپ سه‌بعدی با دقت بالا و بدون اینکه تاثیری بر کیفیت و قابلیت‌اطمینان قطعات فلزی داشته باشد، بسیار بزرگ تلقی شود.
پره‌های توربین گاز معمولا با استفاده از فرآیندهای ریخته‌گری معمولی تولید می‌شوند. تولیدکنندگان، فلز مذاب را در قالب‌های پیچیده ریخته و آن را بصورت جهت‌دار جامد می‌کنند. سپس قطعه فلزی نهایی با استفاده از انواع ابزارهای ماشینکاری آماده می‌شود. این پره‌ها باید بتوانند در گازهای بسیار داغ با سرعت بالا برای تولید توان در نیروگاه‌ها و نیروی پیشران در موتورهای هوایی بچرخند.
” بخوانید: برنامه تولید قطعات موتور پی‌دی۱۴ با چاپ سه بعدی “
با این حال، علاقه فزاینده‌ای به تولید پره‌های توربین از طریق چاپ سه‌بعدی وجود دارد. چاپ سه‌بعدی دارای مزایا از لحاظ زیست‌محیطی و هزینه است و به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا هندسه‌های پیچیده‌تر و مقرون به صرفه‌تر پره را تولید کنند. متاسفانه، یک چالش بزرگ یعنی خزش وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد.
خزش، تمایل فلز به تغییر شکل دائمی در مواجهه با تنش‌های مکانیکی مداوم و دماهای بالا است. تحقیقات پیشین نشان داده که فرآیند چاپ دانه‌های ریز در اندازه ده‌ها تا صدها میکرون تولید می‌کند. این ریزساختار در حالی که تقریبا با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست، به ویژه در برابر خزش آسیب‌پذیر است. در عمل، این بدان معنا است که یک توربین گاز عمر کوتاه‌تر یا بازده سوخت کمتری خواهد داشت.
برای حل این مشکل، متخصصان MIT راهی برای بهبود ساختار آلیاژهای چاپ سه‌بعدی با افزودن یک مرحله جدید عملیات حرارتی کشف کردند. در این مرحله، دانه‌های ریز ماده چاپ‌شده به دانه‌های ستونی بسیار بزرگتر تبدیل می‌شود که این ریزساختار محکم‌تر، ایجاد پدیده خزش مواد را به حداقل می‌رساند. ستون‌های دانه با محور بیشترین تنش هم‌تراز هستند. بنابر ادعای متخصصان، روش جدید عملیات حرارتی می‌تواند انقلابی در چاپ سه‌بعدی صنعتی پره‌های توربین گاز ایجاد کند.
این تصور وجود دارد که در آینده نزدیک، سازندگان توربین‌های گاز، از فناوری جدید چاپ سه‌بعدی پره‌های ثابت و متحرک خود در کارخانه‌های تولید افزایشی در مقیاس بزرگ استفاده کنند و با بکارگیری فناوری عملیات حرارتی توسعه‌یافته توسط دانشگاه MIT آن را پردازش کنند. چاپ سه‌بعدی دسترسی به ساختار خنک‌کاری جدیدی را امکان‌پذیر می‌کند که می‌تواند بازدهی حرارتی یک توربین را بهبود ببخشد، به طوری که انرژی مشابهی با سوزاندن سوخت و انتشار دی‌اکسیدکربن کمتری تولید می‌کند.
” بخوانید: همکاری جنرال الکتریک و دانشگاه سیدنی در حوزه چاپ سه بعدی فلزی “
روش جدید تیم MIT، نوعی تبلور مجدد جهت‌دار یا یک عملیات حرارتی است که یک ماده را با سرعت دقیق کنترل‌شده از یک منطقه داغ عبور داده تا دانه‌های میکروسکوپی یک ماده را به کریستال‌های بزرگتر، محکم‌تر و یکنواخت‌تر تبدیل کند.
محققان، انجماد جهت‌دار که در سوپرآلیاژهای ریخته‌گری‌شده عموما استفاده می‌شود را برای آلیاژهای ساخته‌شده به روش چاپ سه‌بعدی توسعه داده‌اند. در این آزمایش‌ها، میله‌هایی از جنس سوپرآلیاژ با پایه نیکل و تولیدشده با روش چاپ سه‌بعدی، در یک حمام آب در دمای اتاق قرار داده شدند که زیر یک حلقه کوره القایی نصب شده‌است. پس از آن، این فرآیند به‌گونه‌ای کنترل می‌شود که میله‌ها از داخل آب بیرون کشیده می‌شوند و سرعت حلقه القایی نیز کنترل می‌گردد. دمای میله‌ها بین ۱۲۰۰ تا ۱۲۴۵ درجه سانتیگراد بالا می‌رود.
مطابق نتایج بدست‌آمده، سرعت ۲.۵ میلی‌متر در ساعت و دمای ویژه ۱۲۳۵ درجه سانتیگراد برای میله‌ها، باعث بوجودآمدن یک شیب حرارتی زیاد در میله‌ها می‌شود که عامل انتقال در ماده چاپ‌شده است. این ماده به‌عنوان دانه‌های کوچک با عیوبی به نام نابجایی شروع می‌شود. در صورت گرم‌کردن این ماده، این عیوب می‌توانند از بین بروند، دوباره پیکربندی شوند و دانه‌ها رشد کنند که به آن فرآیند تبلور مجدد گفته می‌شود.
میله‌های عملیات حرارتی با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی مورد بررسی قرار گرفتند که نشان داد دانه‌های میکروسکوپی روی سطح قطعه فلزی چاپ‌شده سه‌بعدی با دانه‌های ستونی قرار گرفته‌اند که به‌طور چشمگیری ویژگی‌های خزش را بهبود می‌بخشد. با تغییر سرعت و دمای نمونه‌های میله، دانه‌های چاپ‌شده سه‌بعدی می‌توانند به اندازه و جهت خاصی برسند. این سطح کنترل احتمالا مورد استقبال سازندگان توربین قرار خواهد گرفت.
این پیشرفت نه تنها نقطه عطف مهمی در علم مواد است، بلکه راه‌های جدیدی را برای نوآوری در صنایع مختلف باز می‌کند. هندسه‌های جدید پره‌های ثابت و متحرک، توربین‌های گاز صنعتی و همچنین موتورهای هوایی را با انرژی کارآمدتر امکان‌پذیر می‌کنند. این امر می‌تواند منجر به انتشار کمتر دی‌اکسیدکربن از طریق بهبود کارآیی این ماشین‌ها شود.
منبع:
