كيف تعزز الكويسيكريستالات الألمنيوم المطبع ثلاثي الأبعاد من الدرجة الجوية

من النظرية إلى التطبيق

أحيانًا تُمنح جائزة نوبل لأبحاث قد تكون مجردة قليلًا بالنسبة للجمهور العام. كان هذا هو الحال بالنسبة جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2011، التي كرمت اكتشاف “الكويسيكريستالات”.

ذلك لأن الكثير من المواد في الطبيعة، وكذلك المصنوعة يدويًا، تُنظم في “بلورات” عادية. ما يحددها هو بنية ثلاثية الأبعاد بسيطة على المستوى الذري تتكرر ملايين المرات، حتى تصل إلى المقياس الماكروسكوبي. هذه البُنى هي التي تمنح الخصائص للمعادن المختلفة، وكذلك للمواد الأخرى مثل السيليكون المستخدم في الرقائق الحاسوبية والألواح الشمسية.

هناك فقط 230 طريقة ممكنة لتشكيل الذرات أنماطًا بلورية متكررة، وهو ما كان يُعتقد سابقًا أنه قاعدة صلبة للطبيعة.

المصدر: Nobel Prize

ومع ذلك، تبين أن هياكل أخرى ممكنة، حيث يمكن تجميع عدد قليل من الأشكال الأساسية لتنظيم بنى جزيئية منتظمة، مع عدم وجود نمط متكرر. تم اكتشاف هذا من قبل باحث يعمل في معهد المعايير والتكنولوجيا الوطني (NIST).

المصدر: NIST

قد يكون أندرو إيمز، الباحث في NIST، قد وجد تطبيقات عملية لمثل هذه الكويسيكريستالات، حيث تتشكل أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للألمنيوم. بما أن الألمنيوم معدن مفيد جدًا في تطبيقات الطيران، ولكنه صعب الطباعة ثلاثية الأبعاد، فقد يمثل هذا اختراقًا كبيرًا.

(يمكنك قراءة نظرة عامة على صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد في مقالتنا “الطباعة ثلاثية الأبعاد وتوحيدها في مستقبل التصنيع”).

هذه النتائج¹، التي أجرها باحثون في NIST، HRL Laboratories LLC، وL.A. Giannuzzi & Associates LLC، نُشرت في مجلة السبائك والمركبات، تحت عنوان “الميزات الميكروهيكلية وتكوين الطور غير المستقر في سبيكة ألمنيوم عالية القوة تم تصنيعها باستخدام التصنيع الإضافي”.

لماذا تهم البلورات؟

بينما يمكن للهيكل البلوري أن يمنح المادة خصائص خاصة، فإنه يأتي أيضًا مع نقاط ضعف.

نظرًا لأن البنية منتظمة للغاية، يمكن للذرات أن تنزلق بسهولة عبر بعضها البعض. عندما يحدث ذلك على نطاق واسع، ينتج عن ذلك تشققات دقيقة أو حتى شقوق كبيرة في المادة، مما يجعلها أضعف مما يمكن أن تكون نظريًا.

تتفاقم هذه المشكلة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد لأن المعدن يذوب بكميات صغيرة ثم يبرد مرات عديدة. بالنسبة لكل من الطباعة ثلاثية الأبعاد والطرق التقليدية للطرق، يكون الألمنيوم عرضة بشكل خاص لما يُسمى شقوق التصلب أو التمزق الساخن.

يحدث ذلك عندما يفشل المعدن السائل المتبقي في تعويض انكماش المعدن الصلب المتجمد. تُضعف هذه الشقوق من سلامة الأجزاء المصنوعة من الألمنيوم، مما قد يؤدي إلى مواد أضعف وأكثر عرضة للفشل.

الحاجة إلى طباعة ألمنيوم ثلاثية الأبعاد أفضل

درجات حرارة أكثر تطرفًا بكثير

عند صب الألمنيوم بالطريقة التقليدية، تتراوح درجات حرارة المعدن السائل بين 690 °C إلى 725 °C (1274 °F – 1337 °F)، ومعدلات تبريد التصلب عادةً بين 0.4 °C/s إلى 10 °C/s.

في المقابل، يستخدم التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) للمواد المعدنية الاندماج بالليزر على سرير مسحوق، حيث يُوزع مسحوق المعدن ثم يُذاب بالليزر (اتبع الرابط لمشاهدته في الفيديو).

هذا يولد درجات حرارة للمعادن السائلة تتجاوز 3000 °C (5430 °F)، متجاوزًا نقطة غليان المعدن بدلاً من مجرد انصهاره، ومعدلات تبريد تصل إلى أكثر من مليون °C/s.

هذه درجات الحرارة الأعلى وسرعات التبريد العالية تضخم مشكلة شقوق التصلب.

“سبائك الألمنيوم عالية القوة شبه مستحيلة الطباعة. تميل إلى تكوين شقوق تجعلها غير صالحة للاستخدام.”

فان تشانغ – فيزيائي NIST

وعود الألمنيوم المطبع ثلاثيًا

على الرغم من الصعوبات التقنية، فإن طباعة الألمنيوم ثلاثيًا واعدة جدًا، حيث يمكنها إنشاء أشكال وأجزاء لا تستطيع تقنيات التشكيل التقليدية إنتاجها.

على سبيل المثال، تُصنع الآن أجزاء من محركات الصواريخ أو فوهات الوقود لمحركات الطائرات باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يحول ما يصل إلى 20 جزءًا يحتاج إلى تجميع إلى جزء واحد ويقلل الوزن.

في عام 2017، اكتشف فريق من HRL Laboratories (الذي ساهم في البحث المذكور هنا) أن إضافة الزركونيوم إلى مسحوق الألمنيوم يمنع الأجزاء المطبوعة ثلاثيًا من التشقق، مما ينتج سبيكة قوية.

المصدر: مجلة السبائك والمركبات

ومع ذلك، لم يُفهم سبب فعالية ذلك حتى لوحظت هياكل غريبة في البنية الذرية للمعدن.

“لكي نثق بهذه المادة الجديدة بما يكفي لاستخدامها في مكونات حرجة مثل أجزاء الطائرات العسكرية، نحتاج إلى فهم عميق لكيفية تجميع الذرات معًا.”

فان تشانغ – فيزيائي NIST

العثور على الكويسيكريستالات وصنعها

استخدم الباحثون مجهرًا إلكترونيًا لتحليل المادة بأعلى دقة ممكنة. كشف ذلك أن الذرات كانت مرتبة في أنماط غريبة وجديدة تُظهر تماثلًا دورانيًا بخمس، ثلاث، واثنين من الأوجه، وهو ما لا يمكن أن تسببه البلورات المعتادة في سبيكة الألمنيوم.

“عندها بدأت أشعر بالحماس. لأنني ظننت أنني قد أكون أنظر إلى كويسيكريستال.”
أندرو إيمز، مهندس أبحاث المواد في NIST

إلى جانب المناطق التي تحتوي على حبيبات دقيقة من سبيكة الألمنيوم-الزركونيوم، لاحظ الباحثون كويسيكريستالات إيكوساhedral، على شكل نرد ذو 20 وجهًا.

المصدر: Math Stack Exchange

هذا يكسر بنية البلورة المنتظمة المعتادة، مما يقلل من احتمال تكوّن الشقوق. لذا فإن الكويسيكريستالات تُكسر النمط المنتظم لبلورات الألمنيوم، محدثة عيوبًا تجعل المعدن أقوى.

المصدر: مجلة السبائك والمركبات

ثم وفرت محاكاة الحاسوب رؤى حول تكوين الكويسيكريستالات. ظهر أن هناك طورًا ثانويًا أثناء عملية التبريد، وهو مواتي لتكوين الكويسيكريستال.

من النوى المصنوعة من الكويسيكريستال، تنتشر أنماط انكسار الخطوط في المعدن، مما يجعله أقوى بشكل عام وأقل عرضة للتشقق أثناء التبريد أو تحت الإجهاد الميكانيكي.

المصدر: NIST

التطورات المستقبلية

يعرض هذا النوع الجديد من سبيكة الألمنيوم المطبوعة ثلاثيًا صلابة تُقارن بـ AA7075 المعالجة بالتمهيد القوي، وهي سبيكة ألمنيوم معروفة بمقاومتها العالية للتآكل وتُستخدم على نطاق واسع في أجزاء هياكل الطائرات.

تشير الاختبارات الأولية إلى أن معالجة التصلب بالترسيب قد تجعل هذه السبيكة أكثر صلابة، رغم أنه لا يزال يتعين إثبات ذلك تجريبيًا.

كما يخلق ذلك إطارًا يمكن من خلاله إنتاج ألمنيوم أقوى. الآن بعد أن يستطيع علماء المواد التنبؤ جزئيًا بتكوين الكويسيكريستالات أثناء التصنيع الإضافي، يمكنهم التركيز على تحسين حدوثها لتعزيز الأداء الميكانيكي.

الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد

الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن تصل إلى النضج التكنولوجي، وكذلك إلى توحيد السوق. هذا يمنح المستثمرين رؤية أكبر مقارنة بالماضي ويؤكد أن هذه التقنية ليست مجرد موضة عابرة بل هي مستدامة.

يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالطباعة ثلاثية الأبعاد عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.

إلى جانب الشركات التي نناقشها أدناه، يمكنك أيضًا العثور على أفكار استثمارية محتملة في مقالتنا “أفضل 10 أسهم في مجال التكنولوجيا النانوية”.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات طباعة ثلاثية محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة مثل ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) للاستفادة من نمو قطاع التصنيع الإضافي ككل.

مثال مبتكر

(إلى جانب الشركات التي نناقشها أدناه، يمكنك قراءة المزيد عن الآخرين في مقالتنا “أفضل 10 أسهم في التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد للمراقبة”)

Nano Dimension

تركز معظم شركات التصنيع الإضافي على المعادن والبلاستيك، مع التركيز على الأجزاء الميكانيكية المعقدة. بينما ركزت Nano Dimension على الإلكترونيات المطبوعة ثلاثيًا. يشمل ذلك تقنيات متخصصة مثل الأحبار الموصلة أو العازلة والسيراميك. يمكن استخدامها على سبيل المثال لبناء مكونات بصرية أو راديوية.

هذا أحد التطبيقات المحتملة للطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى النانوي، وهو ما استكشفناه أكثر في “الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية تبدو مستعدة للتسويق التجاري”.

نمت Nano Dimension من خلال مزيج من الاستحواذات والبحث والتطوير الداخلي.

المصدر: Nano Dimensions

وصلت هذه الاستراتيجية إلى ذروتها مع الاستحواذ على Desktop Metal المعلن عنه في 2024 وتم إتمامه في 2025. معًا، ستحظى الشركتان بموقع أقوى بكثير في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن والسيراميك على جميع المقاييس، من الإلكترونيات إلى المعدات الصناعية الكبيرة والطيران.

هذا أيضًا يخلق اقتصاديات حجم من خلال دمج قاعدة العملاء التي تشمل SpaceX، Tesla، GE، Honeywell، Emerson، Raytheon، NASA، Medtronics، وغيرها.

أخيرًا، كانت الشركتان نشطتين في مناطق جغرافية مختلفة، حيث كانت Nano Dimension في أوروبا وDesktop Metal في الولايات المتحدة، مما يسمح بتآزر من خلال دمج فرق المبيعات.

المصدر: Nano Dimension

تدعي الشركة أنها يمكنها تقليل البصمة البيئية للتصنيع، مع خفض انبعاثات CO2 بنسبة 94%، والمياه بنسبة 100%، والمواد بنسبة 98%، والمواد الكيميائية بنسبة 82%. بشكل عام، يمكننا توقع أن تبرز Nano Dimension كواحدة من القادة في هذه التقنية.

المصدر: Nano Dimensions

الشركات المدمجة في وضع جيد جدًا لاستغلال الاكتشافات الجديدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد وكيفية صنع سبيكة ألمنيوم أقوى، ومن المرجح أن توسع هذه الابتكارات السوق القابلة للوصول.

مع ذلك، يجب على المستثمرين أن يكونوا على علم بأن كلًا من Nano Dimension قبل الاستحواذ وDesktop Metal قبل الاستحواذ كانا سالبين من حيث التدفق النقدي، لذا سيتعين على الشركة الناتجة خفض التكاليف أو النمو بما يكفي لتحقيق ربح في المستقبل.

آخر المستجدات حول Nano Dimension

الدراسات المشار إليها:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). التصنيع السريع لألياف مشغلات المموجات الكهروإلاستيك ذات السماحية العالية. مجلة السبائك والمركبات. المجلد 1025، 25 أبريل 2025، 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}