Kuasikristaller Havacılık Sınıfı 3D Baskılı Alüminyumu Nasıl Güçlendiriyor

Teoriden Pratiğe

Bazen, Nobel Ödülü atıfı daha geniş halk kitleleri için biraz soyut olabilecek araştırmalara verilir. Bu durum şu şekildeydi: "kuasikristallerin" keşfini ödüllendiren 2011 Nobel Kimya Ödülü.

Bunun nedeni, doğadaki ve insan yapımı birçok malzemenin "normal" kristaller halinde düzenlenmiş olmasıdır. Bunları tanımlayan şey, milyonlarca kez tekrarlanan, makroskobik ölçeğe kadar uzanan atomik düzeydeki basit bir 3B yapıdır. Bu yapılar, çeşitli metallere ve bilgisayar çiplerine ve güneş panellerine giren silikon gibi diğer malzemelere özelliklerini veren yapılardır.

Sadece var 230 olası yol Atomların tekrarlayan kristal desenleri oluşturması, daha önce doğanın katı bir kuralı olduğu düşünülen bir şeydi.

Kaynak: Nobel Ödülü

Ancak, düzenli moleküler yapıları organize etmek için birkaç temel şeklin bir araya getirilebileceği ve aynı zamanda tekrar eden bir desene sahip olmadığı başka yapıların da mümkün olduğu ortaya çıktı. Bu keşif, çoğunlukla Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) çalışan bir araştırmacı tarafından yapıldı.

Kaynak: NIST

NIST'te araştırmacı olan Andrew Iams, alüminyumun 3B baskısı sırasında oluştukları için bu tür kuasikristaller için pratik uygulamalar bulmuş olabilir. Alüminyum havacılık uygulamalarında çok kullanışlı bir metal olduğu için, ancak 3B baskısı da oldukça zor olduğu için, bu büyük bir atılımı temsil edebilir.

(3D baskı sektörüne genel bir bakışı “ başlıklı makalemizde okuyabilirsiniz.3D Baskı Üretimin Geleceğine Güç Katıyor").

Bu sonuçlar¹NIST, HRL Laboratories LLC ve LA Giannuzzi & Associates LLC araştırmacıları tarafından gerçekleştirilen çalışmalar, “Joint of Alloys and Compounds” dergisinde “Katkı maddesi imalatı kullanılarak üretilen yüksek dayanımlı bir alüminyum alaşımında mikro yapısal özellikler ve metastabil faz oluşumu anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Kristaller Neden Önemlidir?

Kristalin yapı bir malzemeye özel özellikler kazandırabileceği gibi, aynı zamanda zayıflıkları da beraberinde getirir.

Yapı aşırı düzenli olduğundan, atomların birbirlerinin üzerinden kayması kolay olabilir. Büyük ölçekte yapıldığında, bu malzemede mikro çatlaklar veya hatta büyük çatlaklar oluşturur ve genel olarak onu teorik olarak olabileceğinden daha zayıf hale getirir.

Bu sorun 3D baskıda daha da büyür çünkü metal küçük miktarlarda erir ve sonra birçok kez soğutulur. Ve hem 3D baskı hem de geleneksel dövme için alüminyum, sözde katılaşma çatlaklarına veya sıcak yırtılmaya karşı özellikle savunmasızdır.

Bu, kalan sıvı metalin soğuyan, zaten katı olan metalin büzülmesini telafi edememesi durumunda gerçekleşir. Bu tür çatlaklar alüminyum parçaların yapısal bütünlüğünü tehlikeye atarak, potansiyel olarak arızaya daha yatkın daha zayıf malzemelere yol açar.

Daha İyi Alüminyum 3D Baskıya İhtiyaç Var

Çok Daha Aşırı Sıcaklıklar

Geleneksel yöntemle alüminyum dökümü yapıldığında, sıvı metal sıcaklıkları 690 °C ile 725 °C (1274 °F – 1337 °F) arasında değişir ve katılaşma soğutma hızları genellikle 0.4 °C/s ile 10 °C/s arasındadır.

Buna karşılık, metalik malzemeler için katkı maddesi üretimi (3B baskı) şunları kullanır: lazer-toz yatak füzyonu, metal tozunun biriktirildiği ve daha sonra bir lazer tarafından eritildiği (videoyu görmek için bağlantıyı takip edin).

Bu, 3000 °C'nin (5430 °F) üzerindeki sıvı metal sıcaklıkları, metali eritmek yerine kaynama noktasının ötesine geçmesi ve 1 milyon °C/s'yi aşan ultra hızlı katılaşma soğutma hızları üretir.

Bu yüksek sıcaklıklar ve çok daha yüksek soğuma hızları katılaşma çatlakları sorununu daha da büyütür.

"Yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarının basımı neredeyse imkansızdır. Çatlaklar geliştirme eğilimindedirler ve bu da onları kullanılamaz hale getirir."

fan Zhang - NIST fizikçisi

3D Baskılı Alüminyumun Vaatleri

Teknik zorluklara rağmen 3D baskı alüminyum, diğer dövme teknikleriyle oluşturulamayan şekiller ve parçalar yaratılabildiği için oldukça ümit vericidir.

Örneğin, roket motorlarının parçaları veya uçak motorlarının yakıt nozulları artık çoğunlukla 3 boyutlu baskıyla üretiliyor ve montajı gereken 20 parça tek bir parçaya dönüştürülerek ağırlığı azaltılıyor.

2017 yılında, burada tartışılan araştırmaya katkıda bulunan HRL Laboratuvarları'ndan bir ekip, alüminyum tozuna zirkonyum eklemenin 3 boyutlu yazdırılmış parçaların çatlamasını önlediğini ve bunun sonucunda güçlü bir alaşım elde edildiğini keşfetti.

Kaynak: Alaşımlar ve Bileşikler Dergisi

Ancak bunun neden işe yaradığı, atomik metal yapısında garip yapılar gözlemlenene kadar tam olarak anlaşılamamıştı.

"Bu yeni metale askeri uçak parçaları gibi kritik bileşenlerde kullanılabilecek kadar güvenebilmek için atomların nasıl bir araya geldiğine dair derin bir anlayışa ihtiyacımız var."

fan Zhang - NIST fizikçisi

Kuasikristalleri Bulma ve Yapma

Araştırmacılar, materyali mümkün olan en küçük görüntü çözünürlüğünde analiz etmek için bir elektron mikroskobu kullanmak zorundaydı. Atomların, alüminyum alaşımında normalde bulunan kristallerin neden olamayacağı beş katlı, üç katlı ve iki katlı dönme simetrisi gösteren yeni, garip desenlerde düzenlendiğini ortaya koyuyor.

"O zaman heyecanlanmaya başladım. Çünkü bir kuasikristale bakıyor olabileceğimi düşündüm."

Andrew Iams, NIST'te malzeme araştırma mühendisi

Araştırmacılar, alüminyum-zirkonyum alaşımının ince tanecikli olduğu alanların yanı sıra, 20 yüzlü zar biçiminde ikosahedral kuasikristaller gözlemlediler.

Kaynak: Matematik Yığını Değişimi

Bu, normalde bulunan düzenli kristal yapısını bozarak çatlakların oluşma olasılığını azaltır. Bu nedenle kuasikristaller alüminyum kristallerinin düzenli desenini bozarak metali daha güçlü hale getiren kusurlara neden olur.

Kaynak: Alaşımlar ve Bileşikler Dergisi

Bilgisayar simülasyonu daha sonra kuasikristallerin oluşumuna dair içgörüler sağladı. Soğutma işlemi sırasında kuasikristal oluşumuna elverişli ikincil bir faz olduğu ortaya çıktı.

Kuazikristalden yapılmış çekirdeklerden, metaldeki kuazikristal çizgi kırılma desenlerinin sonuçları, onu genel olarak daha güçlü hale getirir ve soğutma sırasında veya mekanik stres altında çatlama olasılığını azaltır.

Kaynak: NIST

Gelecek Gelişmeler

Bu yeni tip 3 boyutlu yazdırılmış alüminyum alaşımı, korozyona karşı yüksek dirence sahip ve uçak yapısal parçalarında yaygın olarak kullanılan yerleşik bir alüminyum alaşımı olan AA7075'e benzer bir sertliğe sahiptir.

Bu ilk testler, çökelti sertleştirme ısıl işleminin bu alaşımı daha da sertleştirebileceğini gösteriyor, ancak bunun hala deneysel olarak kanıtlanması gerekiyor.

Ayrıca daha güçlü alüminyum üretiminin mümkün olabileceği bir çerçeve de yaratır. Malzeme bilimcileri artık katkı üretimi sırasında kuasikristallerin oluşumunu kısmen tahmin edebildiklerine göre, mekanik performansı artırmak için oluşumlarını iyileştirmeye odaklanabilirler.

3D Baskıya Yatırım Yapmak

3D baskı, pazar konsolidasyonunun yanı sıra teknolojik olgunluğa da ancak şimdi ulaşıyor. Bu, yatırımcılara geçmişe göre biraz daha fazla görünürlük sağlıyor ve bu teknolojinin geçici bir moda olmaktan çok uzak olduğunu ancak kalıcı olduğunu doğruluyor.

Birçok broker aracılığıyla 3D baskıyla ilgili şirketlere yatırım yapabilirsiniz ve bu web sitesinde Türkiye'nin en iyi brokerlerine yönelik önerilerimizi bulabilirsiniz. Amerika, Kanada, Avustralya, UK, diğer birçok ülkenin yanı sıra.

Aşağıda ele aldığımız şirketlerin yanı sıra potansiyel yatırım fikirlerini de yazımızda bulabilirsiniz”En İyi 10 Nanoteknoloji Hisse Senedi anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Belirli 3D baskı şirketlerini seçmekle ilgilenmiyorsanız aşağıdaki gibi ETF'lere de bakabilirsiniz: ARK Invest 3D Baskı ETF'si (PRNT) Bir bütün olarak katmanlı imalat sektörünün büyümesinden yararlanmak.

Yenilikçi Bir Örnek

(Aşağıda bahsi geçen şirketlerin yanı sıra diğerlerini de yazımızdan okuyabilirsiniz)İzlenecek En İyi 10 Eklemeli Üretim ve 3D Baskı Stoku")

Nano Boyut

Çoğu katkı maddesi üretim şirketi, karmaşık mekanik parçalara odaklanarak metal ve plastiğe odaklanır. Nano Dimension ise 3D yazdırılmış elektroniklere odaklandı. Bu, iletken veya dielektrik mürekkepler ve seramikler gibi çok özel teknolojileri içerir. Bunlar örneğin optik veya radyo bileşenleri oluşturmak için kullanılabilir.

Bu, 3D baskının nano ölçeğe olası uygulamalarından biridir ve bunu daha ayrıntılı olarak "Nano Ölçekli 3D Baskı Ticarileşmeye Hazır Görünüyor anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Nano Dimension, satın almalar ve şirket içi Ar-Ge çalışmaları sayesinde büyüdü.

Kaynak: Nano Boyutlar

Bu strateji, yeni bir zirveye ulaştı Desktop Metal'in satın alınması açıkladı 2024 yılında ve 2025 yılında tamamlanacak. İki şirket birlikte, elektronikten büyük endüstriyel ekipmanlara ve havacılık sektörüne kadar her ölçekte metal ve seramik 2D baskı alanında çok daha güçlü bir konuma sahip olacak.

Bu aynı zamanda SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics gibi müşteri tabanını birleştirerek ölçek ekonomisi de yaratıyor.

Son olarak, iki şirket çoğunlukla farklı coğrafi bölgelerde faaliyet gösteriyordu; Avrupa'da Nano Dimension ve ABD'de Desktop Metal, satış ekiplerini birleştirerek sinerji yaratmaya olanak sağlıyordu.

Kaynak: Nano Boyut

Şirket, CO94 emisyonlarında %2, suda %100, malzemelerde %98 ve kimyasallarda %82 oranında bir azalma ile üretimin ekolojik ayak izini azaltabileceğini iddia ediyor. Genel olarak, Nano Dimension'ın teknolojinin liderlerinden biri olarak ortaya çıkmasını bekleyebiliriz.

Kaynak: Nano Boyutlar

Birleşen şirketler, 3 boyutlu baskı alanındaki yeni keşiflerden ve daha güçlü alüminyum alaşımı üretme konusunda elde edilen bulgulardan yararlanmak için çok iyi bir konumda bulunuyorlar ve bu yeniliklerin hedef pazarlarını genişletmesi muhtemel.

Ancak yatırımcıların, hem Nano Dimension'ın hem de Desktop Metal'in satın alma öncesi nakit akışının negatif olduğunun farkında olması gerekiyor; bu nedenle ortaya çıkan şirketin gelecekte kar elde edebilmek için maliyetleri düşürmesi veya yeterli büyümeyi sağlaması gerekecek.

Nano Dimension'da son durum

Atıf Yapılan Çalışmalar:

^{1. Andrew D. Iamsve ark. (2025). Yüksek geçirgenliğe sahip dielektrik elastomer aktüatör liflerinin hızlı üretimi. Alaşımlar ve Bileşikler Dergisi. Cilt 1025, 25 Nisan 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}