HRL Laboratories ha fatto un passo avanti nella metallurgia con l'annuncio che i ricercatori della famosa struttura hanno sviluppato una tecnica per la stampa 3D di leghe di alluminio ad alta resistenza, compresi i tipi Al7075 e Al6061, che apre le porte alla produzione additiva di leghe rilevanti per l'ingegneria. Queste leghe sono molto desiderabili per parti di aerei e automobili e sono state tra le migliaia che non erano suscettibili di produzione additiva - stampa 3D - una difficoltà che è stata risolta dai ricercatori di HRL. Un ulteriore vantaggio è che il loro metodo può essere applicato a famiglie di leghe aggiuntive come acciai ad alta resistenza e superleghe a base di nichel difficili da elaborare attualmente nella produzione additiva.

"Stiamo usando una teoria della nucleazione vecchia di 70 anni per risolvere un problema di 100 anni con una macchina del 21° secolo, "ha detto Hunter Martin, che ha co-guidato la squadra con Brennan Yahata. Entrambi sono ingegneri del Laboratorio di sensori e materiali di HRL e studenti di dottorato presso l'Università della California, Santa Barbara che studia con la professoressa Tresa Pollock, coautore dello studio. La loro stampa 3D su carta di leghe di alluminio ad alta resistenza è stata pubblicata il 21 settembre, numero 2017 di Natura .

La produzione additiva di metalli in genere inizia con polveri di lega che vengono applicate in strati sottili e riscaldate con un laser o un'altra fonte di calore diretta per fondere e solidificare gli strati. Normalmente, se si utilizzano leghe di alluminio non saldabili ad alta resistenza come Al7075 o AL6061, le parti risultanti subiscono gravi rotture a caldo, una condizione che rende una parte metallica in grado di essere smontata come un biscotto a scaglie.

La tecnica di funzionalizzazione delle nanoparticelle di HRL risolve questo problema decorando polveri di leghe non saldabili ad alta resistenza con nanoparticelle appositamente selezionate. La polvere funzionalizzata con nanoparticelle viene alimentata in una stampante 3D, che stratifica la polvere e fonde al laser ogni strato per costruire un oggetto tridimensionale. Durante la fusione e la solidificazione, le nanoparticelle fungono da siti di nucleazione per la microstruttura della lega desiderata, prevenendo la criccatura a caldo e consentendo il mantenimento della piena resistenza della lega nella parte fabbricata.

Poiché la fusione e la solidificazione nella produzione additiva sono analoghe alla saldatura, La funzionalizzazione delle nanoparticelle di HRL può essere utilizzata anche per rendere saldabili le leghe non saldabili. Questa tecnica è anche scalabile e impiega materiali a basso costo. Le polveri e le nanoparticelle di leghe convenzionali producono materie prime per stampanti con nanoparticelle distribuite uniformemente sulla superficie dei grani di polvere.

"Il nostro primo obiettivo era capire come eliminare del tutto la criccatura a caldo. Abbiamo cercato di controllare la microstruttura e la soluzione dovrebbe essere qualcosa che accade naturalmente con il modo in cui questo materiale si solidifica, " disse Martino.

Per trovare le nanoparticelle corrette, in questo caso nanoparticelle a base di zirconio, il team di HRL ha arruolato Citrine Informatics per aiutarli a selezionare la miriade di possibili particelle per trovare quella con le proprietà di cui avevano bisogno.

"L'uso dell'informatica è stato fondamentale, " ha detto Yahata. "Il modo in cui si faceva la metallurgia era coltivando la tavola periodica per gli elementi di lega e testando principalmente per tentativi ed errori. Lo scopo dell'utilizzo del software informatico era quello di fare un approccio selettivo alla teoria della nucleazione che conoscevamo per trovare i materiali con le proprietà esatte di cui avevamo bisogno. Una volta che abbiamo detto loro cosa cercare, la loro analisi dei big data ha ristretto il campo dei materiali disponibili da centinaia di migliaia a pochi eletti. Siamo passati da un pagliaio a una manciata di possibili aghi".

Con questa nuova entusiasmante tecnica, HRL è in prima linea in un nuovo capitolo nella produzione additiva di metalli per la ricerca, industria, e difesa.