Một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Cambridge dẫn đầu đã phát triển một kỹ thuật mới sử dụng tia laser năng lượng cao để tinh chỉnh các đặc tính của kim loại in 3D mà không ảnh hưởng đến các hình dạng phức tạp mà nó tạo thành.
In phụ gia hoặc in 3D đang chứng tỏ là một công cụ ngày càng mạnh mẽ cho kỹ thuật và sản xuất, nhưng nó vẫn chưa phải là thuốc chữa bách bệnh. Trên thực tế, nó thường có một số nhược điểm lớn đòi hỏi những cách tiếp cận mới để khắc phục.
Kim loại in 3D thường bao gồm một máy tạo ra các lớp hợp kim kim loại mỏng dưới dạng bột mịn. Lớp này sau đó được nấu chảy hoặc thiêu kết bằng cách sử dụng tia laser hoặc chùm tia điện tử được dẫn hướng bởi mô hình kỹ thuật số, sau đó một lớp khác được thêm vào. Khi in xong, bột thừa sẽ bị cuốn đi, để lộ ra sản phẩm cuối cùng.
Bằng cách in như vậy, các hình dạng rất phức tạp có thể được hình thành rất nhanh chóng. Vấn đề là có nhiều thứ để tạo ra thứ gì đó bằng kim loại hơn là hình dạng của nó. Ngoài ra còn có sự tương tác phức tạp của các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của kim loại. Nếu những điều này không được kiểm soát đúng cách thì sản phẩm cuối cùng có thể là rác thải.
Một ví dụ rất đơn giản về điều này là một con dao in 3D. Có thể tạo ra một lưỡi dao cực kỳ huyền ảo với những đường cong và chi tiết mà thông thường không thể đạt được bằng các phương pháp thông thường, nhưng nếu các đặc tính của kim loại không được xử lý, lưỡi dao đó có thể gãy như đậu phộng giòn hoặc quá mềm. bơ đó sẽ có khả năng cắt tốt hơn.
Đây là một thách thức rõ ràng khi tạo ra các hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, những người thợ kim loại đã phát triển các kỹ thuật thực sự và đã được thử nghiệm để kiểm soát các đặc tính của kim loại nhờ hàng nghìn năm thực hành được hỗ trợ bởi một số ngành khoa học mới nổi trong vài thế kỷ qua.
Về cơ bản, điều này liên quan đến việc thay đổi cấu trúc tinh thể của kim loại bằng các phương pháp nung và nung chúng khác nhau. Bằng cách làm nóng, làm mát và rèn có kiểm soát, một miếng kim loại có thể được tinh chỉnh cấu trúc cho đến khi nó phù hợp với mọi thứ từ dao mổ đến dầm chữ I.
Điều đó tốt cho các vật thể kim loại có hình dạng đơn giản, nhưng bạn không thể nhét một hình dạng in 3D phức tạp vào lò nung hoặc đập nó bằng búa, điều này sẽ làm mất đi toàn bộ mục đích của việc sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra nó ngay từ đầu. Thay vào đó, nhóm Cambridge, bao gồm các nhà nghiên cứu đến từ Singapore, Thụy Sĩ, Phần Lan và Úc, đã chọn sử dụng tia laser để biến đổi kim loại tại chỗ.
Ý tưởng là tia laser sẽ làm tan chảy có chọn lọc các điểm trên vật thể hoàn thiện được làm từ thép không gỉ, làm thay đổi cấu trúc tinh thể. Bằng cách này, họ có thể làm cho kim loại được in trở nên bền hơn đồng thời loại bỏ độ giòn mà kim loại được in như vậy có xu hướng bộc lộ. Việc hâm nóng có chọn lọc ở quy mô nhỏ sẽ biến tia laser thành một chiếc búa siêu nhỏ.
Kỹ thuật này không thể sao chép quá trình gia công kim loại thông thường nên nhóm đã chuyển sang kỹ thuật cổ xưa để đạt được kết quả tương tự. Một phương pháp để chế tạo lưỡi kiếm chất lượng cao là sử dụng hai kim loại khác nhau như thép và sắt, sau đó hàn và gấp chúng lại với nhau nhiều lần. Kết quả là tạo ra một lưỡi kiếm được phân lớp tinh xảo trong đó hai kim loại nổi bật với nhau và cho phép người thợ rèn kiếm kiểm soát không chỉ các đặc tính của toàn bộ lưỡi kiếm mà còn của các phần cụ thể, do đó tâm của lưỡi kiếm rất linh hoạt, trong khi các cạnh lại mềm mại hơn. đủ cứng để mài sắc.
Nhóm Cambridge đã nghĩ ra một điều tương tự bằng cách xen kẽ các điểm được xử lý bằng tia laser với những điểm không được xử lý. Điều này cho phép họ kiểm soát ở mức độ lớn đối với các thuộc tính cuối cùng của đối tượng.
Tiến sĩ Matteo Seita từ Khoa Kỹ thuật của Cambridge và trưởng nhóm cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng phương pháp này có thể giúp giảm chi phí in 3D kim loại, từ đó có thể cải thiện tính bền vững của ngành sản xuất kim loại”. “Trong tương lai gần, chúng tôi cũng hy vọng có thể bỏ qua quá trình xử lý nhiệt độ thấp trong lò, giảm hơn nữa số bước cần thiết trước khi sử dụng các bộ phận in 3D trong các ứng dụng kỹ thuật.”