Метод, разработанный исследовательской группой во главе с Кембриджским университетом, позволяет "программировать" структурные модификации металлических сплавов во время 3D-печати, точно настраивая их свойства без процесса "нагрева и взбивания", который используется уже тысячи лет.

Новый метод 3D-печати сочетает в себе лучшие качества обоих миров: сложные формы, которые делает возможными 3D-печать, и способность проектировать структуру и свойства металлов, которые допускают традиционные методы. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

3D-печать имеет ряд преимуществ перед другими методами производства. Например, гораздо проще создавать сложные формы с помощью 3D-печати, и при этом используется гораздо меньше материала, чем при традиционных методах изготовления металла, что делает этот процесс более эффективным. Однако у него также есть существенные недостатки.

"3D-печать многообещающа, но она все еще не получила широкого применения в промышленности, главным образом из-за высоких производственных затрат", - сказал доктор Маттео Сейта из инженерного факультета Кембриджа, который руководил исследованием. "Одним из основных факторов, определяющих эти затраты, является объем доработки, который требуется материалам после производства".

Начиная с бронзового века металлические детали изготавливались с помощью процесса нагревания и отбивания. Такой подход, при котором материал закаляется молотком и размягчается на огне, позволяет производителю придать металлу желаемую форму и в то же время придать физические свойства, такие как гибкость или прочность.

"Причина, по которой нагрев и взбивание настолько эффективны, заключается в том, что они изменяют внутреннюю структуру материала, позволяя контролировать его свойства", - сказал Сейта. "Вот почему он все еще используется спустя тысячи лет".

Одним из основных недостатков современных технологий 3D-печати является невозможность управлять внутренней структурой таким же образом, из-за чего требуется так много изменений после производства. "Мы пытаемся найти способы восстановить некоторые из этих конструктивных возможностей без необходимости нагрева и взбивания, что, в свою очередь, помогло бы снизить затраты", - сказал Сейта. "Если вы сможете управлять желаемыми свойствами металлов, вы сможете использовать более экологичные аспекты 3D-печати".

Работая с коллегами из Сингапура, Швейцарии, Финляндии и Австралии, Seita разработала новый "рецепт" для 3D-печати металла, который позволяет в высокой степени контролировать внутреннюю структуру материала при его расплавлении лазером.

Контролируя способ затвердевания материала после плавления и количество тепла, выделяемого в ходе процесса, исследователи могут запрограммировать свойства конечного материала. Обычно металлы проектируются такими, чтобы быть прочными и ударопрочными, чтобы их можно было безопасно использовать в конструкциях. Металлы, напечатанные на 3D-принтере, по своей природе прочны, но в то же время хрупки.

Стратегия, разработанная исследователями, дает полный контроль как над прочностью, так и ударной вязкостью, запуская контролируемую реконфигурацию микроструктуры, когда металлическая деталь, напечатанная на 3D-принтере, помещается в печь при относительно низкой температуре. В их методе используются обычные технологии 3D-печати на основе лазера, но с небольшими изменениями в процессе.

"Мы обнаружили, что лазер можно использовать в качестве "микроскопического молотка" для упрочнения металла во время 3D-печати", - сказал Сейта. "Однако повторная плавка металла тем же лазером приводит к ослаблению структуры металла, что позволяет осуществить структурную реконфигурацию при помещении детали в печь".

Их сталь с 3D-печатью, которая была разработана теоретически и подтверждена экспериментально, была изготовлена с чередующимися участками прочного и ударопрочного материала, что делает ее характеристики сравнимыми со сталью, полученной путем нагрева и взбивания.

"Мы считаем, что этот метод мог бы помочь снизить затраты на 3D-печать по металлу, что, в свою очередь, могло бы повысить устойчивость металлообрабатывающей промышленности", - сказал Сейта. "В ближайшем будущем мы также надеемся, что сможем отказаться от низкотемпературной обработки в печи, что еще больше сократит количество этапов, необходимых перед использованием деталей, напечатанных на 3D-принтере, в инженерных приложениях".

В состав команды входили исследователи из Наньянского технологического университета, Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR), Института Пола Шеррера, Финского центра технических исследований VTT и Австралийской организации ядерной науки и технологий. Маттео Сейта - научный сотрудник колледжа Святого Иоанна в Кембридже.