องค์กรไม่แสวงหาผลกำไร สื่อ และสาธารณชนสามารถดาวน์โหลดรูปภาพจากเว็บไซต์ MIT Press Office ภายใต้ Creative Commons Attribution ที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์ ใบอนุญาตที่ไม่ใช่อนุพันธ์คุณต้องไม่แก้ไขรูปภาพที่ให้มา ให้ครอบตัดให้มีขนาดที่ถูกต้องเท่านั้นต้องใช้เครดิตเมื่อคัดลอกรูปภาพเครดิต “MIT” สำหรับรูปภาพ เว้นแต่จะระบุไว้ด้านล่าง
การอบชุบด้วยความร้อนแบบใหม่ที่พัฒนาโดย MIT เปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของโลหะที่พิมพ์ 3 มิติ ทำให้วัสดุแข็งแรงขึ้นและทนทานต่อสภาวะความร้อนสูงเทคโนโลยีนี้สามารถเปิดใช้งานการพิมพ์ 3 มิติของใบมีดและใบพัดประสิทธิภาพสูงสำหรับกังหันก๊าซและเครื่องยนต์ไอพ่นที่ผลิตกระแสไฟฟ้า ทำให้สามารถออกแบบใหม่เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงและประหยัดพลังงาน
ใบพัดของกังหันแก๊สในปัจจุบันผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการหล่อแบบดั้งเดิม ซึ่งโลหะที่หลอมเหลวจะถูกเทลงในรูปทรงที่ซับซ้อนและแข็งตัวตามทิศทางส่วนประกอบเหล่านี้ทำจากโลหะผสมที่ทนความร้อนสูงที่สุดในโลก เนื่องจากได้รับการออกแบบให้หมุนด้วยความเร็วสูงในก๊าซที่ร้อนจัด สกัดการทำงานเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าและให้แรงขับสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น
มีความสนใจเพิ่มขึ้นในการผลิตใบพัดกังหันโดยใช้การพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งนอกจากประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจแล้ว ยังช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตใบมีดที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและประหยัดพลังงานได้อย่างรวดเร็วแต่ความพยายามในการพิมพ์ 3 มิติใบพัดของกังหันยังไม่สามารถเอาชนะอุปสรรคใหญ่ประการหนึ่งได้ นั่นคือการคืบ
ในทางโลหะวิทยา การคืบถือเป็นแนวโน้มของโลหะที่จะเปลี่ยนรูปอย่างถาวรภายใต้ความเค้นเชิงกลคงที่และอุณหภูมิสูงในขณะที่นักวิจัยกำลังสำรวจความเป็นไปได้ในการพิมพ์ใบกังหัน พวกเขาพบว่ากระบวนการพิมพ์ทำให้เกิดเม็ดละเอียดตั้งแต่ขนาดหลายสิบถึงหลายร้อยไมโครเมตร ซึ่งเป็นโครงสร้างจุลภาคที่มีแนวโน้มที่จะคืบคลานได้ง่าย
Zachary Cordero ศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศของ MIT กล่าวว่า "ในทางปฏิบัติ หมายความว่ากังหันก๊าซจะมีอายุการใช้งานสั้นลงหรือประหยัดน้อยลง"“สิ่งเหล่านี้เป็นผลเสียที่มีค่าใช้จ่ายสูง”
Cordero และเพื่อนร่วมงานได้ค้นพบวิธีปรับปรุงโครงสร้างของโลหะผสมที่พิมพ์ 3 มิติโดยเพิ่มขั้นตอนการอบชุบด้วยความร้อนเพิ่มเติม ซึ่งจะเปลี่ยนเกรนละเอียดของวัสดุพิมพ์ให้เป็นเกรน "เรียงเป็นแนว" ที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งเป็นโครงสร้างจุลภาคที่แข็งแรงขึ้นซึ่งช่วยลดโอกาสการคืบของวัสดุวัสดุเนื่องจาก "เสา" อยู่ในแนวเดียวกับแกนของความเค้นสูงสุดแนวทางที่นำเสนอใน Additive Manufacturing ในปัจจุบันเป็นการปูทางสำหรับการพิมพ์ 3 มิติของใบพัดกังหันก๊าซในอุตสาหกรรม นักวิจัยกล่าว
Cordero กล่าวว่า "ในอนาคตอันใกล้นี้ เราคาดว่าผู้ผลิตกังหันแก๊สจะพิมพ์ใบมีดในโรงงานผลิตสารเติมแต่งขนาดใหญ่ จากนั้นจึงประมวลผลโดยใช้กระบวนการทางความร้อนของเรา"“การพิมพ์ 3 มิติจะเปิดใช้งานสถาปัตยกรรมการระบายความร้อนใหม่ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของกังหัน ทำให้สามารถผลิตพลังงานในปริมาณที่เท่ากันในขณะที่เผาผลาญเชื้อเพลิงน้อยลงและปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยลงในที่สุด”
การศึกษาของ Cordero เป็นผู้ร่วมเขียนโดย Dominic Pichi, Christopher Carter และ Andres Garcia-Jiménez จาก Massachusetts Institute of Technology, Anugrahaprada Mukundan และ Marie-Agatha Sharpan จาก University of Illinois at Urbana-Champaign และ Donovan Leonard of the Oak ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสัน
วิธีการใหม่ของทีมคือรูปแบบหนึ่งของการตกผลึกใหม่ตามทิศทาง ซึ่งเป็นการบำบัดความร้อนที่เคลื่อนวัสดุผ่านโซนร้อนในอัตราที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ หลอมรวมเม็ดเล็ก ๆ ของวัสดุให้กลายเป็นผลึกที่ใหญ่ขึ้น แข็งแรงขึ้น และสม่ำเสมอมากขึ้น
การตกผลึกซ้ำแบบกำหนดทิศทางถูกคิดค้นขึ้นเมื่อ 80 ปีที่แล้วและนำไปใช้กับวัสดุที่เปลี่ยนรูปได้ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ ทีมงานของ MIT ได้ใช้การตกผลึกซ้ำโดยตรงกับซูเปอร์อัลลอยที่พิมพ์แบบ 3 มิติ
ทีมงานได้ทดสอบวิธีนี้กับซูเปอร์อัลลอยที่ใช้นิกเกิลพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นโลหะที่หล่อโดยทั่วไปและใช้ในกังหันแก๊สในการทดลองชุดหนึ่ง นักวิจัยได้วางตัวอย่างซูเปอร์อัลลอยที่มีลักษณะคล้ายแท่งที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติในอ่างน้ำอุณหภูมิห้องใต้ขดลวดเหนี่ยวนำโดยตรงพวกเขาดึงแท่งแต่ละแท่งออกจากน้ำอย่างช้าๆ แล้วส่งผ่านขดลวดด้วยความเร็วที่ต่างกัน ทำให้แท่งร้อนขึ้นอย่างมากจนถึงอุณหภูมิตั้งแต่ 1,200 ถึง 1,245 องศาเซลเซียส
พวกเขาพบว่าการดึงแท่งด้วยความเร็วระดับหนึ่ง (2.5 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง) และที่อุณหภูมิหนึ่ง (1235 องศาเซลเซียส) จะสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิที่สูงชันซึ่งกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาคแบบละเอียดของสื่อสิ่งพิมพ์
Cordero อธิบาย "วัสดุเริ่มต้นจากการเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่มีข้อบกพร่องที่เรียกว่าการเคลื่อนตัว เช่น เส้นสปาเก็ตตี้หัก"“เมื่อคุณให้ความร้อนกับวัสดุ ข้อบกพร่องเหล่านี้จะหายไปและสร้างขึ้นใหม่ และเมล็ดพืชก็สามารถเติบโตได้ธัญพืชโดยการดูดซับวัสดุที่มีข้อบกพร่องและธัญพืชที่มีขนาดเล็กกว่า—กระบวนการที่เรียกว่าการตกผลึกใหม่”
หลังจากทำให้แท่งที่ได้รับความร้อนเย็นลงแล้ว นักวิจัยได้ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและอิเล็กตรอน และพบว่าเม็ดขนาดเล็กที่พิมพ์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ของวัสดุนั้นถูกแทนที่ด้วยเมล็ดแบบ "เรียงเป็นแนว" หรือส่วนที่ยาวคล้ายคริสตัลซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าของเดิมมาก ธัญพืช.
“เราปรับโครงสร้างใหม่ทั้งหมด” โดมินิก พีช หัวหน้าผู้เขียนกล่าว"เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถเพิ่มขนาดเกรนได้หลายลำดับความสำคัญเพื่อสร้างเกรนเรียงเป็นแนวจำนวนมาก ซึ่งในทางทฤษฎีควรนำไปสู่การปรับปรุงคุณสมบัติการคืบอย่างมีนัยสำคัญ"
ทีมงานยังแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถควบคุมอัตราการดึงและอุณหภูมิของตัวอย่างแท่งเพื่อปรับแต่งเมล็ดพืชที่กำลังเติบโตของวัสดุอย่างละเอียด สร้างขอบเขตของขนาดและการวางแนวของเมล็ดพืชที่เฉพาะเจาะจงการควบคุมระดับนี้จะช่วยให้ผู้ผลิตสามารถพิมพ์ใบกังหันด้วยโครงสร้างจุลภาคเฉพาะพื้นที่ ซึ่งสามารถปรับให้เหมาะกับสภาพการใช้งานเฉพาะได้ Cordero กล่าว
Cordero วางแผนที่จะทดสอบการรักษาความร้อนของชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติใกล้กับใบพัดกังหันทีมงานยังมองหาวิธีการเร่งความต้านทานแรงดึงรวมถึงการทดสอบความต้านทานการคืบของโครงสร้างที่ผ่านการอบด้วยความร้อนจากนั้นพวกเขาคาดการณ์ว่าการอบชุบด้วยความร้อนสามารถเปิดใช้งานการพิมพ์ 3 มิติในทางปฏิบัติเพื่อผลิตใบพัดกังหันระดับอุตสาหกรรมที่มีรูปร่างและรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้น
“ใบมีดและรูปทรงใบมีดใหม่จะทำให้กังหันก๊าซที่ทำงานบนบก และท้ายที่สุด เครื่องยนต์ของเครื่องบินจะประหยัดพลังงานมากขึ้น” Cordero กล่าว“จากมุมมองพื้นฐาน สิ่งนี้สามารถลดการปล่อย CO2 โดยการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้”
เวลาโพสต์: 15 พ.ย.-2565
