لم يتمكن الباحثون بعد من تحويل التصنيع الإضافي، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد، للمعادن إلى مستوى علمي كامل. إن الثغرات في فهمنا لما يحدث داخل المعدن أثناء العملية جعلت النتائج غير متسقة. لكن اختراقًا جديدًا قد يمنح مستوى غير مسبوق من الإتقان في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد.

باستخدام منشأتين مختلفتين لتسريع الجسيمات، قام الباحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) والمعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في السويد ومؤسسات أخرى بإلقاء نظرة على الهيكل الداخلي للفولاذ أثناء صهره ثم تصلبه أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. تفتح النتائج المنشورة في  Acta Materiali  أداة حسابية لمحترفي الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يوفر لهم قدرة أكبر على التنبؤ والتحكم في خصائص الأجزاء المطبوعة، مما قد يؤدي إلى تحسين اتساق التكنولوجيا وجدواها للتصنيع على نطاق واسع   .

يتضمن الأسلوب الشائع لطباعة القطع المعدنية لحام مجمعات من المعدن المسحوق بالليزر، طبقة بعد طبقة، إلى الشكل المطلوب. أثناء الخطوات الأولى للطباعة باستخدام سبيكة معدنية، حيث تسخن المادة وتبرد بسرعة، تتجمع ذراتها - التي يمكن أن تكون عبارة عن مجموعة صغيرة من عناصر مختلفة - في تكوينات بلورية منظمة. تحدد البلورات خصائص الجزء المطبوع، مثل المتانة ومقاومة التآكل. يمكن أن تظهر هياكل بلورية مختلفة، ولكل منها إيجابيات وسلبيات خاصة بها.

قال فان تشانغ، الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)، وهو مؤلف مشارك في الدراسة: "في الأساس، إذا تمكنا من التحكم في البنية المجهرية خلال الخطوات الأولية لعملية الطباعة، فيمكننا الحصول على البلورات المطلوبة، وفي النهاية، تحديد أداء الأجزاء المصنعة بشكل إضافي".

في حين أن عملية الطباعة تهدر مواد أقل ويمكن استخدامها لإنتاج أشكال أكثر تعقيدًا من طرق التصنيع التقليدية، إلا أن الباحثين ناضلوا لفهم كيفية توجيه المعدن نحو أنواع معينة من البلورات على غيرها. 

وقد أدى هذا النقص في المعرفة إلى نتائج أقل من المرغوب فيها، مثل الأجزاء ذات الأشكال المعقدة التي تتشقق قبل الأوان بفضل بنيتها البلورية. 

وقال تشانغ: "من بين آلاف السبائك التي يتم تصنيعها بشكل شائع، لا يمكن تصنيع سوى حفنة قليلة باستخدام التصنيع الإضافي".

جزء من التحدي الذي يواجه العلماء هو أن عملية التصلب أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن تحدث في غمضة عين. 

لالتقاط ظاهرة السرعة العالية، استخدم مؤلفو الدراسة الجديدة أشعة سينية قوية تم توليدها بواسطة مسرعات الجسيمات الحلقية، والتي تسمى السنكروترونات، في مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون الوطني ومصدر الضوء  السويسري التابع  لمعهد بول شيرير  . 

وسعى الفريق إلى معرفة كيفية تأثير معدلات تبريد المعدن، والتي يمكن التحكم فيها بواسطة طاقة الليزر وإعدادات الحركة، على البنية البلورية. ثم يقوم الباحثون بمقارنة البيانات بتنبؤات النموذج الحسابي المستخدم على نطاق واسع والذي تم تطويره في الثمانينيات والذي يصف تصلب السبائك. 

في حين أن هذا النموذج موثوق به في عمليات التصنيع التقليدية، إلا أن هيئة المحلفين لم تناقش إمكانية تطبيقه في السياق الفريد للتغيرات السريعة في درجات الحرارة للطباعة ثلاثية الأبعاد. 

قالت غريتا، المؤلفة المشاركة في الدراسة: "إن تجارب السنكروترون تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة، لذا لا يمكنك إجراؤها لكل حالة تهتم بها. لكنها مفيدة جدًا للتحقق من صحة النماذج التي يمكنك استخدامها بعد ذلك لمحاكاة الظروف المثيرة للاهتمام". ليندوال، أستاذ مشارك في علوم وهندسة المواد في المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH.

داخل السنكروترونات، قام الباحثون بإعداد ظروف تصنيع مضافة لفولاذ أدوات العمل الساخن، وهو نوع من المعدن يُستخدم لصنع أدوات يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية، كما يوحي الاسم. 

ومع قيام الليزر بتسييل المعدن وظهور بلورات مختلفة، قامت أشعة الأشعة السينية بفحص العينات بما يكفي من الطاقة والسرعة لإنتاج صور للعملية العابرة. احتاج أعضاء الفريق إلى منشأتين منفصلتين لدعم معدلات التبريد التي أرادوا اختبارها، والتي تراوحت من درجات حرارة تصل إلى عشرات الآلاف إلى أكثر من مليون كلفن في الثانية. 

وقد صورت البيانات التي جمعها الباحثون قوة الدفع والجذب بين نوعين من الهياكل البلورية، الأوستينيت وفريت دلتا، ويرتبط الأخير بالتشقق في الأجزاء المطبوعة. ومع تجاوز معدلات التبريد 1.5 مليون كلفن (2.7 مليون درجة فهرنهايت) في الثانية، بدأ الأوستينيت في السيطرة على منافسه. وتتوافق هذه العتبة الحرجة مع ما تنبأ به النموذج. 

"النموذج والبيانات التجريبية متفقان بشكل جيد. وقال تشانغ: "عندما رأينا النتائج، كنا متحمسين للغاية". 

لقد كان هذا النموذج منذ فترة طويلة أداة موثوقة لتصميم المواد في التصنيع التقليدي، والآن يمكن أن تحظى مساحة الطباعة ثلاثية الأبعاد بنفس الدعم. 

تشير النتائج إلى أن النموذج يمكنه إبلاغ العلماء والمهندسين بمعدلات التبريد التي يجب تحديدها لخطوات التصلب المبكرة لعملية الطباعة. وبهذه الطريقة سيظهر الهيكل البلوري الأمثل داخل المادة المرغوبة، مما يجعل الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد أقل صعوبة من رمي النرد. 

"إذا كانت لدينا بيانات، فيمكننا استخدامها للتحقق من صحة النماذج. وقال تشانغ: "هذه هي الطريقة التي يتم بها تسريع اعتماد التصنيع الإضافي على نطاق واسع للاستخدام الصناعي".