3D-tulostus voi helposti tuottaa metalliosia, joilla on monimutkaiset rakenteet ja kevyt ominaisuus, mikä tekee niistä erinomaisen houkuttelevia seuraavan sukupolven korkealuokkaisille laitteille, kuten lentokoneille ja avaruusaluksille, jotka pyrkivät vähentämään painoa ja parantamaan integraatiota. Metalliosat, joita on valmistettu 3D-tulostuksella, kärsivät kuitenkin yleensä vakavasta puutteesta – heikosta väsymiskestävyydestä, mikä tarkoittaa, että ne ovat alttiita väsymisrikkoille syklisen kuormituksen alaisena, mikä rajoittaa vakavasti niiden keskeisiä sovelluksia. Viime aikoina tutkijoiden Zhang Zhefengin ja Zhang Zhenjunin johtama tiimi Kiinan tiedeakatemian metallitutkimuslaitoksessa (IMR, CAS) on kehittänyt uuden jälkikäsittelytekniikan 3D-tulostukseen. Tämän NAMP-tekniikan avulla tuotettu titaaniseosaine näyttää ennennäkemättömän hyvää väsymisvastusta eri jännityssuhdeoloissa, ja sen kokonaisväsymisominaisuudet ylittävät kaikki tunnetut metallimateriaalit, poistaen siten merkittävän esteen 3D-tulostusteknologian käytölle korkeapresiisioiduissa ja huipputeknologioissa. Aiheeseen liittyvät tutkimustulokset on julkaistu lehdessä Science Advances.
Jo varhain vuonna 2024 tiimi kehitti uuden NAMP-prosessin, jolla voidaan tarkasti säädellä materiaalien sisäistä rakennetta ja virheitä. Tämän prosessin avulla valmistettu Ti-6Al-4V-seos, joka on yksi yleisimmistä titaaniseoksista, pystyy poistamaan sekä mikroporit että karkeat mikrorakenteet – molemmat ovat pääasiallisia syitä väsymisilmiölle. Tämä uusi materiaali rikkoi maailmanennätyksen "erityisessä väsymislujuudessa" "vedon–vedon" jännityssuhdeolosuhteissa.
Käytännön osat, kuten lentokoneen moottorisiivet ja laskutelineet, ovat kuitenkin alttiita erittäin monimutkaisille jännitystiloille, jotka sisältävät paitsi "vetovoiman-vetovoiman" myös "vetovoiman-puristusvoiman" tilanteita, mikä tarkoittaa, että jännityssuhde vaihtelee. Erilaiset jännityssuhteet voivat aktivoida erilaisia vauriomekanismeja materiaalin sisällä. Perinteisten titaaniseosten mikrorakenteilla on usein rajoituksia – ne toimivat hyvin vain tietyillä tiettyihin jännityssuhteisiin, mutta saattavat suoriutua huonosti, kun jännityssuhde muuttuu. Tämä tekee erinomaisen suorituskyvyn kaikissa käyttöolosuhteissa varmistavan materiaalin valmistamisesta erinomaisen vaikeaa.
Kohdatessaan tätä monimutkaisempaa haastetta tutkimusryhmä tunnisti useita titaniumseosten heikkoja kohdikkoja, jotka ovat alttiita väsymismurtumille, sekä ne jännitystilanteet, joissa ne esiintyvät. Käyttäen NAMP-menetelmää he valmistivat lähes ilman mikroonteloa olevia 3D-tulostettuja rakenteita, jotka voivat optimoida kaikki heikot kohdikot samanaikaisesti. Tämä 3D-tulostettu titaniumseos omistaa ominaisuuden säilyttää korkea väsymislujuus täydellisissä jännityssuhdeolosuhteissa.
Kokeelliset tiedot osoittavat, että eri jännityssuhteissa suoritetuissa väsymiskokeissa tämän uuden materiaalin väsymislujuus ylittää ei ainoastaan kaikkien titaniumseosten vaan myös sen "erityinen väsymislujuus" on kokonaisuudessaan parempi kuin kaikkien metallimateriaalien, mikä asettaa uuden maailmanennätyksen.
EN