Paano Pinapalakas ng Quasicrystals ang Aerospace-Grade na 3D-Printed na Aluminum

Mula sa Teorya Hanggang sa Praktika

Kung minsan, ang pagkakaloob ng Nobel Prize ay napupunta sa pananaliksik na maaaring medyo abstrakto para sa karamihan. Ito ang kaso para sa ang Nobel Prize sa Kimika noong 2011, na nagbigay gantimpala sa pagk discover ng “quasicrystals”.

Ito ay dahil maraming materyales sa kalikasan, pati na rin ang gawa ng tao, ay nakaayos sa “normal” na kristal. Ang nagtatakda sa kanila ay isang simpleng 3D na estruktura sa antas ng atom na inuulit ng milyong beses, hanggang sa makroskopikong sukat. Ang mga estrukturang ito ang nagbibigay ng mga katangian sa iba’t ibang metal, pati na rin sa iba pang materyales tulad ng silikon na ginagamit sa mga chip ng computer at solar panel.

Mayroon lamang 230 na posibleng paraan para sa mga atom na bumuo ng inuulit na pattern ng kristal, isang bagay na dati ay inisip na matibay na batas ng kalikasan.

Pinagmulan: Nobel Prize

Gayunpaman, lumitaw na may iba pang mga estruktura na posible, kung saan ilang pangunahing hugis ay maaaring pagsamahin upang ayusin ang regular na molekular na estruktura, habang hindi rin nagkakaroon ng inuulit na pattern. Ang pagtuklas na ito ay ginawa ng isang mananaliksik na karamihan ay nagtratrabaho sa National Institute of Standards and Technology (NIST).

Pinagmulan: NIST

Si Andrew Iams, isang mananaliksik sa NIST, ay maaaring nakahanap ng praktikal na aplikasyon para sa mga quasicrystals, dahil nabubuo ang mga ito sa panahon ng 3D printing ng aluminum. Dahil ang aluminum ay napaka-kapaki-pakinabang na metal sa mga aplikasyon ng aerospace, ngunit kilala ring mahirap i-3D print, maaaring ito ay isang malaking breakthrough.

(Maaari mong basahin ang pangkalahatang-ideya ng industriya ng 3D printing sa aming artikulo “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”).

Ang mga resulta¹, na isinagawa ng mga mananaliksik sa NIST, HRL Laboratories LLC, at L.A. Giannuzzi & Associates LLC, ay inilathala sa Journal of Alloys and Compounds, sa pamagat na “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.

Bakit Mahalaga ang mga Kristal?

Habang ang isang kristalinong estruktura ay maaaring magbigay ng espesyal na katangian sa isang materyal, ito rin ay may kahinaan.

Dahil napaka-regular ng estruktura, madaling makalusot ang mga atom sa isa’t isa. Kapag nangyari ito sa malaking sukat, lumilikha ito ng mga microfracture o kahit malalaking bitak sa materyal, na sa kabuuan ay nagpapahina dito kaysa sa dapat nitong maging.

Ang problemang ito ay lalong lumalala sa 3D printing dahil ang metal ay natutunaw nang paunti-unti at pagkatapos ay pinalamig nang maraming beses. At para sa parehong 3D printing at tradisyunal na forging, ang aluminum ay partikular na madaling maapektuhan ng tinatawag na solidification cracks, o hot tearing.

Nangyayari ito kapag ang natitirang likidong metal ay nabigong makabawi sa pag-urong ng lumalamig na, na ngayo’y solidong metal na. Ang mga ganitong bitak ay nakakasira sa integridad ng estruktura ng mga aluminum na bahagi, na maaaring magdulot ng mas mahina na materyales na mas madaling mabigo.

Ang Pangangailangan para sa Mas Mahusay na 3D Printing ng Aluminum

Mas Maraming Napakamatinding Temperatura

Kapag nagkakast sa aluminum sa tradisyunal na paraan, ang temperatura ng likidong metal ay nasa pagitan ng 690 °C hanggang 725 °C (1274 °F – 1337 °F), at ang mga rate ng paglamig sa solidipikasyon ay karaniwang mula 0.4 °C/s hanggang 10 °C/s.

Sa kabilang banda, ang additive manufacturing (3D printing) para sa mga metal na materyales ay gumagamit ng laser-powder bed fusion, kung saan ang metal powder ay inilalagay at pagkatapos ay natutunaw ng laser (sundan ang link upang makita ito sa video).

Nagbubunga ito ng temperatura ng likidong metal na lampas sa 3000 °C (5430 °F), lampas pa sa punto ng pagkulo ng metal imbes na simpleng matunaw lamang, at napakabilis na mga rate ng paglamig sa solidipikasyon na humihigit sa 1 milyong °C/s.

Ang mas mataas na mga temperatura at napakabilis na mga bilis ng paglamig ay nagpapalaki sa problema ng solidification cracks.

“Halos imposibleng i-print ang mga high‑strength aluminum alloy. Madalas silang nagkakaroon ng mga bitak, na nagiging hindi magamit.” Fan Zhang – pisiko ng NIST

Ang Mga Pangako ng 3D‑Printed na Aluminum

Sa kabila ng mga teknikal na kahirapan, ang 3D printing ng aluminum ay napaka-promising, dahil maaari itong lumikha ng mga hugis at bahagi na hindi kayang gawin ng ibang teknik sa forging.

Halimbawa, ang mga bahagi ng rocket engine o fuel nozzle para sa mga eroplano ay ngayon madalas ginagawa sa pamamagitan ng 3D printing, na nagbabawas ng hanggang 20 na bahagi na kailangang i-assemble sa iisang bahagi at nagpapababa ng timbang nito.

Noong 2017, isang koponan mula sa HRL Laboratories (na nag-ambag sa pananaliksik na tinalakay dito) ang nakadiskubre na ang pagdaragdag ng zirconium sa aluminum powder ay pumipigil sa pagbitak ng mga 3D‑printed na bahagi, na nagreresulta sa isang matibay na alloy.

Pinagmulan: Journal of Alloys and Compounds

Gayunpaman, ang dahilan kung bakit ito gumagana ay halos hindi pa nauunawaan hanggang sa mapansin ang kakaibang mga estruktura sa atomic na estruktura ng metal.

“Upang mapagkatiwalaan ang bagong metal na ito nang sapat para magamit sa mga kritikal na bahagi tulad ng mga bahagi ng militar na eroplano, kailangan natin ng malalim na pag-unawa kung paano nagkakabit ang mga atom.” Fan Zhang – pisiko ng NIST

Paghanap at Paggawa ng Quasicrystals

Kailangang gumamit ang mga mananaliksik ng electron microscope upang suriin ang materyal sa pinakamaliit na posibleng resolusyon ng imahe. Ipinapakita nito na ang mga atom ay nakaayos sa mga bagong, kakaibang pattern na nagpapakita ng limang‑doble, tatlong‑doble, at dalawang‑doble na rotational symmetry na hindi maaaring sanhi ng mga kristal na karaniwang matatagpuan sa aluminum alloy.

“Doon ako nagsimulang mag-excite. Dahil inisip ko na maaaring tinitingnan ko ang isang quasicrystal.” Andrew Iams, inhinyero sa pananaliksik ng materyales sa NIST

Bukod sa mga lugar na may pinong butil ng aluminum‑zircon alloy, napansin ng mga mananaliksik ang mga icosahedral quasicrystals, na hugis 20‑panig na dice.

Pinagmulan: Math Stack Exchange

Nalalabag nito ang regular na estruktura ng kristal na karaniwang natatagpuan, na nagbabawas ng potensyal na pagbuo ng mga bitak. Kaya ang mga quasicrystals ay nagwawasak ng regular na pattern ng mga kristal ng aluminum, na nagdudulot ng mga depekto na nagpapalakas sa metal.

Pinagmulan: Journal of Alloys and Compounds

Ang computer simulation ay nagbigay ng mga pananaw sa pagbuo ng mga quasicrystals. Lumitaw na mayroong pangalawang yugto sa proseso ng paglamig, na pabor sa pagbuo ng quasicrystal.

Mula sa mga core na gawa sa quasicrystal, ang mga sanga ng pattern ng linya ng quasicrystal sa metal ay nagiging mas matibay at mas hindi madaling mag-bitak sa panahon ng paglamig o sa ilalim ng mekanikal na stress.

Pinagmulan: NIST

Mga Hinaharap na Pag-unlad

Ang bagong uri ng 3D‑printed na aluminum alloy na ito ay nagpapakita ng tigas na katumbas ng peak‑aged AA7075, isang kilalang aluminum alloy na may mataas na resistensya sa korosyon at malawakang ginagamit sa mga bahagi ng estruktura ng eroplano.

Ang mga paunang pagsubok ay nagpapahiwatig na ang heat treatment na precipitation‑hardening ay maaaring magpatingkad pa ng tigas ng alloy na ito, bagaman kailangan pa itong patunayan sa eksperimento.

Naglilikha rin ito ng isang balangkas kung saan ang produksyon ng mas matibay na aluminum ay maaaring maging posible. Ngayon na ang mga siyentipiko ng materyal ay maaaring bahagyang mahulaan ang pagbuo ng mga quasicrystals sa additive manufacturing, maaari nilang ituon ang pansin sa pagpapabuti ng kanilang paglitaw upang mapahusay ang mekanikal na pagganap.

Pamumuhunan sa 3D Printing

Ang 3D printing ay ngayon lamang umabot sa teknolohikal na kapanahunan, pati na rin sa konsolidasyon ng merkado. Ito ay nagbibigay sa mga mamumuhunan ng kaunting higit na visibility kaysa dati at nagpapatunay na ang teknolohiyang ito ay hindi isang fad kundi narito upang manatili.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang may kaugnayan sa 3D‑printing sa pamamagitan ng maraming broker, at maaari mong makita sa website na ito ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at pati na rin sa maraming ibang bansa.

Bukod sa mga kumpanyang tinalakay sa ibaba, maaari mo ring makita ang mga potensyal na ideya sa pamumuhunan sa aming artikulo “Top 10 Nanotechnology Stocks.”

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng partikular na mga kumpanyang 3D printing, maaari ka ring tumingin sa mga ETF tulad ng ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) upang makinabang sa paglago ng sektor ng additive manufacturing bilang kabuuan.

ang hinaharap.

Isang Inobatibong Halimbawa

(Bukod sa mga kumpanyang tinalakay sa ibaba, maaari kang magbasa tungkol sa iba pa sa aming artikulo “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch”)

Nano Dimension

Ang karamihan sa mga kumpanya ng additive manufacturing ay nakatuon sa metal at plastik, na may layuning lumikha ng kumplikadong mekanikal na mga bahagi. Ang Nano Dimension (NNDM ) ay sa halip nakatuon sa 3D‑printed na electronics. Kabilang dito ang napaka‑espesyal na mga teknolohiya tulad ng mga conductive o dielectric inks at ceramics. Maaari itong magamit, halimbawa, sa paggawa ng mga optical o radio na komponent.

Ito ay isa sa mga posibleng aplikasyon ng 3D printing sa nanoscale, na aming sinuri nang higit pa sa “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization.”

Ang Nano Dimension ay lumago sa pamamagitan ng halo ng mga acquisition at internal na R&D.

Pinagmulan: Nano Dimensions

Ang estratehiyang ito ay umabot sa bagong taas sa ang acquisition ng Desktop Metal na inanunsyo noong 2024 at natapos noong 2025. Magkasama, ang dalawang kumpanya ay magkakaroon ng mas malakas na posisyon sa metal at ceramics 3D printing sa lahat ng sukat, mula sa electronics hanggang sa malalaking industrial equipment at aerospace.

Naglilikha rin ito ng mga ekonomiya ng sukat sa pamamagitan ng pagsasama ng base ng mga customer na kinabibilangan ng SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, atbp.

Huli, ang dalawang kumpanya ay karamihan aktibo sa magkaibang mga rehiyon, kung saan ang Nano Dimension ay nasa Europa at ang Desktop Metal ay nasa US, na nagbibigay ng sinergiya sa pagsasama ng kanilang mga sales team.

Pinagmulan: Nano Dimension

Ipinapahayag ng kumpanya na maaari nitong bawasan ang ecological footprint ng paggawa, na may pagbawas ng 94% sa CO₂ emissions, 100% sa tubig, 98% sa mga materyales, at 82% sa mga kemikal. Sa kabuuan, maaari nating asahan na ang Nano Dimension ay magiging isa sa mga nangunguna sa teknolohiyang ito.

Pinagmulan: Nano Dimensions

Ang pinag-isang mga kumpanya ay napakaposisyon upang samantalahin ang mga bagong tuklas sa 3D printing at kung paano gumawa ng mas matibay na aluminum alloy, na ang mga inobasyong ito ay malamang na palawakin ang addressable market.

Gayunpaman, kailangang maging mulat ang mga mamumuhunan na parehong per‑acquisition Nano Dimension at per‑acquisition Desktop Metal ay negatibo sa cash flow, kaya ang nagresultang kumpanya ay kailangang magbawas ng gastos o lumago nang sapat upang magkaroon ng kita sa hinaharap.

Pinakabagong Balita sa Nano Dimension

Mga Sanggunian na Binanggit:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Mabilis na paggawa ng mataas na-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Journal of Alloys and Compounds. Bolyong 1025, 25 Abril 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}