ناسا، اداره کل ملی هوانوردی و فضا در ایالات متحده، یک آلیاژ پرینت سه بعدی توسعه داده است که کاملا جدید است و به طور اختصاصی برای استفاده در سیستم‌های حرفه‌ای هوافضا طراحی شده است.
استحکام و دوام، دو ویژگی بارز آلیاژ GRX-810 هستند؛ GRX-810 جزو آلیاژهایی است که با پراکندگی اکسید تقویت شده‌اند: فلزی که دارای ذرات اکسید در مقیاس نانو است. بر اساس گزارش‌ها این ماده می‌تواند دماهای بیش از ۱۹۰۰ درجه سلسیوس (۲۰۰۰ درجه فارنهایت) را تحمل کند و شکل‌پذیری آن در چنین دماهایی از دیگر آلیاژهای هوافضا بیشتر است.
ناسا قصد دارد از آخرین نوآوری خود برای پرینت سه بعدی قطعات دمابالا استفاده کند که در سیستم‌هایی همچون موتور موشک به کار می‌روند و ادعا می‌کند که این کار در نهایت منجر به بهبود راندمان سوخت و کاهش هزینه‌های مربوط به نگهداری خواهد شد. این سازمان همین حالا هم برای پرینت سه بعدی یک محفظه احتراق موتور توربین از این آلیاژ استفاده کرده است؛ این محفظه در حقیقت یک قطعه یکپارچه است که هوا و سوخت را باهم مخلوط می‌کند.
دیل هاپکینز، معاون مدیر پروژه ابزارها و فناوری‌های تحول‌آفرین ناسا می‌گوید: «مزیت‌های فوق‌العاده‌ای که در عملکرد این آلیاژ دیده می‌شود ناشی از وجود همین ذرات اکسید در مقیاس نانو است.»
GRX-810 یا آلیاژ شگفت‌انگیز؟
سرسختی طبیعت فضای بیرون از کره زمین ایجاب کرده است تا تلاش‌هایی که در بخش تحقیق و توسعه مواد ناسا انجام می‌شود، در راستای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه باشد که مناسب شرایط جوی سخت هستند. آلیاژ GRX-810 تجلی این امر است زیرا در مقایسه با بسیاری از آلیاژهای پیشتاز مانند اینکونل که امروزه می‌شناسیم، پیشرفت برجسته‌ای در عملکرد GRX-810 دیده می‌شود.
برای مثال، در دمای ۱۹۰۰ درجه سلسیوس مقاومت آلیاژ GRX-810 در برابر شکست دوبرابر، شکل‌پذیری و چکش‌خواری آن سه و نیم برابر و تحت اثر تنش دوام این آلیاژ ۱,۰۰۰ برابر آخرین آلیاژهای پیشرفته است.
هاپکینز می‌گوید: «چنین پیشرفتی، یک تحول عظیم در حوزه توسعه مواد است. انواع جدید مواد که قوی‌تر و سبک‌تر هستند، نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند، همانطور که ناسا قصد دارد آینده پرواز را تغییر دهد.» او اضافه می‌کند: «تا پیش از این، با افزایش استحکام کششی معمولا توانایی ماده برای کشش و تشکیل پیوند قبل از وقوع شکست کم می‌شد، به همین خاطر است که آلیاژ جدید ما خیلی خوب واقع شده است.»
فرآیند جدید توسعه آلیاژ
وجود ترکیب چشمگیری از ویژگی‌های برجسته در GRX-810 تا حد زیادی به خاطر فرآیند جدید ناسا برای توسعه آلیاژها است. در این فرآیند، فناوری پرینت سه بعدی با مدلسازی ترمودینامیکی ادغام شد تا عملکردی چشمگیر در ماده به دست بیاید.
توسعه آلیاژهای تقویت شده با پراکندگی اکسید معمولا دشوار و پرهزینه است، از این رو، پژوهشگران ناسا در ابتدا باید از مدل‌های محاسباتی برای تنظیم دقیق ترکیب GRX-810 استفاده می‌کردند. تیم تحقیقاتی از مدلسازی ترمودینامیکی استفاده کرد تا نوع فلز و میزان آن را در ترکیب به طور دقیق تعیین کند. سپس آن‌ها با استفاده از پرینت سه بعدی برپایه لیزر، ذرات اکسید را که در مقیاس نانو بودند در سراسر زمینه آلیاژ به طور یکنواخت پراکنده کردند. خواص استحکامی و مقاومت حرارتی این آلیاژ نیز به دلیل همین پراکندگی ذرات اکسید با این شیوه است.
بر اساس گفته‌های هاپکینز، فرآیند توسعه آلیاژهای تقویت شده با پراکندگی اکسید معمولا سال‌ها زمان می‌برد و تا حد زیادی برپایه آزمون و خطا است. پژوهشگران با استفاده از ترکیب جدید دو روش مدلسازی محاسباتی و پرینت سه بعدی موفق شدند مدت زمان توسعه را به تنها چند هفته کاهش دهند. در خصوص GRX-810، با بهره از رویکرد مدلسازی ترمودینامیکی تیم ناسا بعد از فقط ۳۰ شبیه‌سازی توانست به ترکیب آلیاژی بهینه برسد.
تیم اسمیت، یک دانشمند پژوهشگر مواد از مرکز تحقیقات گلن ناسا واقع در شهر کلیولند می‌گوید: «به کارگیری این دو فرآیند سرعت ما را در توسعه مواد به شدت بالا برد. حالا می‌توانیم مواد جدید را سریع‌تر از قبل و با عملکرد بهتر تولید کنیم.»
بخش وسیع هوافضا با فناوری پرینت سه بعدی بیگانه نیست. در همین ماه، شرکت اروجت راکت‌داین (Aerojet Rocketdyne)، تولیدکننده سیستم‌های پیشران، با استفاده از پرینت سه بعدی و با کمک نرم‌افزار طراحی شرکت nTopology، یکی از اجزای مهم موتور پیشران چهارگانه را در سیستم کنترل واکنش خود بهینه‌سازی کرد. قطعه جدیدی که شرکت برای موتور فضایی خود تولید کرد حالا ۶۷% سبک‌تر است و این در حالی است که هزینه‌های کلی تولید موتور نیز به اندازه ۶۶% کاهش یافت تا اکتشاف ماه سریع‌تر و پایدارتر اتفاق بیوفتد.
در جای دیگر غول صنایع هوافضا، شرکت بوئینگ، اخیرا از تاسیسات جدید و پربازده پرینت سه بعدی خود با هدف تولید و آزمایش ماهواره‌های کوچک رونمایی کرده است. این تاسیسات با مساحت یک میلیون فوت مربع، در بزرگترین کارخانه ساخت ماهواره دنیا واقع در شهر ال سگوندو قرار دارد و توسط یکی از شرکت‌های تابعه بوئینگ به نام Millennium Space Systems راه‌اندازی شده است. این واحد تاسیساتی قرار است همه بدنه اصلی ماهواره‌ها را با شرایط مورد نیاز فضا پرینت کند تا روند آماده‌سازی و تحویل فوری ماهواره‌های کوچک در مدت زمان سریع‌تری انجام بگیرد؛ پیش‌بینی می‌شود تا اواخر سال ۲۰۲۲ این واحد به طور کامل قابل بهره‌برداری باشد.
