Metaliczne szkło z drukarki 3D, czyli nowa metoda produkcji amorficznych stopów metali

Naukowcy z NC State University opisali procedurę drukowania przestrzennego szkła metalicznego, czyli amorficznego stopu metali. Amorficzne stopy metali charakteryzują się korzystnymi właściwościami magnetycznymi i mechanicznymi – można z nich zrobić np. doskonalsze elektromagnesy do wydajnych silników elektrycznych. Dotychczas ze szkła metalicznego wytwarzano głównie płaskie elementy (grubości kilku mm), dzięki nowej metodzie drukować można części piętnastokrotnie grubsze.

Szkło metaliczne, ewentualnie amorficzne stopy metali (metallic glass) mogą wydawać się dość abstrakcyjnym pojęciem. Zwykle szkło kojarzymy z tworzywem wykorzystywanym do produkcji szyb czy butelek. Pojęcie to obejmuje jednak całkiem sporą grupę materiałów – są to ogólnie ciała stałe pozbawione oddziaływań dalekiego zasięgu pomiędzy atomami/cząsteczkami. Materiały w stanie szklistym, a więc także amorficzne stopy metali, nie posiadają budowy krystalicznej (a ta jest typowa dla zwykłych stopów metali). Szkło metaliczne wykazuje szczególne właściwości magnetyczne i mechaniczne. Ma ciągłą budowę – w jego strukturze nie występują obecne zwykle w metalach ziarna – dzięki temu jest bardziej odporne na korozję i ścieranie.

Wytworzenie szkła metalicznego wymaga bardzo szybkiego ochłodzenia ciekłego stopu – na tyle szybkiego by atomy nie zdążyły wytworzyć sieci krystalicznej. Oznacza to szybkość chłodzenia z przedziału 10⁵-10⁸ K/s. Słowem – bardzo dużą. Z tego względu z amorficznych stopów udawało się wytwarzać do tej pory jedynie płaskie elementy, grubości kilku milimetrów.

Od ponad dekady podejmowane są próby wykorzystania druku 3D do wytwarzania większych elementów ze szkła metalicznego – w końcu druk przestrzenny z metalu opiera się na stopniowym budowaniu części z cienkich warstw. Zwykle jednak elementy drukowane z metalu poddaje się obróbce termicznej, która skutkuje odtworzeniem struktury krystalicznej. Opracowanie metody wytwarzania przyrostowego amorficznych stopów okazało się dość skomplikowane i dopiero teraz naukowcy z North Carolina State University opisali sposób drukowania szkła metalicznego.

Dzięki odpowiedniemu dobraniu parametrów wydruku w technice DMLS (Direct Metal Laser Sintering) oraz składu stopu FeCrMoC udało się wytworzyć cylinder o wysokości 30 mm i średnicy 45 mm. Zaynab Mahbooba, pierwszy autor artykułu, deklaruje, że nowa metoda pozwala produkować z całkowicie amorficznego metalu elementy piętnastokrotnie grubsze od otrzymywanych wcześniej konwencjonalnymi technikami.

Artykuł „Additive manufacturing of an iron-based bulk metallic glass larger than the critical casting thickness” pokazuje, że druk 3D może być odpowiednią techniką wytwarzania szkła metalicznego. Naukowców czeka jednak wiele pracy, by opracować procedury drukowania stopów o różnym składzie i o pożądanych właściwościach. Motywuje ich mnogość potencjalnych zastosowań elementów ze szkła metalicznego – na przykład do konstruowania wysoce wydajnych silników elektrycznych.

źródła: news.ncsu.edu, www.3dprint.com