في 31 أغسطس 2023، نجح علماء من جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية (المشار إليها فيما يلي باسم PolyU)، بالتعاون مع جامعة RMIT وجامعة سيدني، في استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لحل مشاكل الجودة وإدارة النفايات طويلة الأمد في إنتاج سبائك التيتانيوم.
نُشر البحث في مجلة Nature في ورقة بحثية بعنوان "سبائك الحديد والتيتانيوم والأكسجين القوية والمرنة عن طريق التصنيع الإضافي".
سبائك التيتانيوم عبارة عن مواد متقدمة خفيفة الوزن تلعب دورًا أساسيًا في العديد من التطبيقات المهمة. ووجد فريق البحث أن الاستخدام المبتكر للتصنيع الإضافي لإنتاج سبائك التيتانيوم والمواد المعدنية الأخرى المحتملة يوفر العديد من المزايا، مثل انخفاض التكاليف وتحسين الأداء والإدارة المستدامة للنفايات.
باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، أنتج فريق البحث نوعًا جديدًا من سبائك التيتانيوم القوية والمرنة والمستدامة (سبائك Ti-O-Fe). يتم تحقيق هذه الخصائص من خلال إضافة الأكسجين والحديد الرخيص والوفير، وهما أقوى عناصر التثبيت وعوامل التقوية لسبائك التيتانيوم في مرحلة ألفا بيتا. تُظهر سبائك التيتانيوم الجديدة إمكانات كبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات -- بدءًا من الهندسة الفضائية والهندسة البحرية وحتى الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة الطبية الحيوية.
بالمقارنة مع المادة المعيارية Ti-6AI-4V المستخدمة على نطاق واسع منذ صياغتها في عام 1954، فإن سبيكة التيتانيوم الجديدة التي أنتجها فريق البحث تظهر خواص ميكانيكية أفضل، مع ليونة قابلة للمقارنة وقوة أعلى بشكل ملحوظ.
على الرغم من أن طرق التصنيع التقليدية مثل الصب يمكن استخدامها أيضًا لإنتاج سبائك تيتانيوم جديدة، إلا أن الخصائص الضعيفة للمواد الناتجة قد تجعلها غير مناسبة للهندسة العملية. يتغلب التصنيع الإضافي بشكل فعال على قيود الطرق التقليدية لتحسين خصائص السبائك.
تنتج عملية كرول كثيفة الاستهلاك للطاقة المستخدمة عادةً لإنتاج سبائك التيتانيوم إسفنجة تيتانيوم غير مطابقة للمواصفات، والتي تمثل حوالي 10 بالمائة من إجمالي إسفنجة التيتانيوم، مما يؤدي إلى هدر كبير وزيادة تكاليف الإنتاج. يعالج التصنيع الإضافي هذه المشكلة بشكل فعال عن طريق إعادة تدوير إسفنجة التيتانيوم غير المواصفات وتحويل النفايات إلى مسحوق لاستخدامها كمواد خام.
تدمج هذه الدراسة تصميم السبائك وعمليات المحاكاة الحسابية والتوصيف التجريبي لاستكشاف مساحة خصائص عملية التصنيع المضافة لسبائك التيتانيوم الجديدة - Ti-O-Fe.
وتسلط الدراسة الضوء على أن التصنيع الإضافي يمكن أن ينتج أجزاء معدنية معقدة وعملية في خطوة واحدة، وبالتالي تسريع تطوير المنتج وخفض التكاليف. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه لإنشاء أجزاء معدنية ذات هياكل وتركيبات فريدة من نوعها، وهو ما لا يمكن تحقيقه بالطرق التقليدية.
فيما يتعلق بتحسين الجودة، يمكن للتصنيع الإضافي تعديل البنية المجهرية للسبائك المعدنية، وبالتالي تحسين القوة والمرونة ومقاومة التآكل والماء. بالإضافة إلى ذلك، من الممكن تصنيع أجزاء معدنية خفيفة الوزن وقوية ذات هياكل داخلية معقدة. يفتح هذا الاختراق البحثي إمكانيات لاستراتيجيات تصميم المواد الشاملة والمستدامة المدفوعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد.
