นักวิทยาศาสตร์ของ Sandia ร่วมมือกับนักวิจัยจาก Ames National Laboratory, Iowa State University และ Bruker Corp. ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างโลหะผสมประสิทธิภาพสูงหรือ superalloy โดยมีองค์ประกอบที่ไม่ธรรมดาซึ่งทำให้แข็งแกร่งและเบากว่าของ วัสดุศิลปะที่ใช้ในเครื่องจักรกังหันก๊าซในปัจจุบัน การค้นพบนี้อาจมีผลกระทบในวงกว้างในภาคส่วนพลังงาน เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์ และบอกใบ้ถึงประเภทใหม่ของโลหะผสมที่คล้ายกันที่รอการค้นพบ Andrew Kustas นักวิทยาศาสตร์ของ Sandia กล่าวว่า "เรากำลังแสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้สามารถเข้าถึงการผสมผสานระหว่างความแข็งแรงสูง น้ำหนักต่ำ และความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิสูงซึ่งไม่เคยได้รับมาก่อน" "เราคิดว่าเหตุผลส่วนหนึ่งที่เราประสบความสำเร็จเป็นเพราะแนวทางการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ" ทีมงานได้เผยแพร่การค้นพบของพวกเขาในวารสารApplied Materials Today วัสดุทนความร้อนสูง จำเป็นสำหรับกังหันของโรงไฟฟ้า ประมาณ 80% ของไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกามาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ตามข้อมูลของ US Energy Information Administration สิ่งอำนวยความสะดวกทั้งสองประเภทอาศัยความร้อนเพื่อหมุนกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าถูกจำกัดโดยชิ้นส่วนกังหันโลหะที่ร้อน หากกังหันสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น "พลังงานก็จะสามารถแปลงเป็นไฟฟ้าได้มากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ลดปริมาณความร้อนเหลือทิ้งที่ปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม" Sal Rodriguez วิศวกรนิวเคลียร์ของ Sandia ซึ่งไม่ได้เข้าร่วมในการวิจัยกล่าว การทดลองของ Sandia แสดงให้เห็นว่า superalloy ใหม่ - อลูมิเนียม 42% ไททาเนียม 25% ไนโอเบียม 13% เซอร์โคเนียม 8% โมลิบดีนัม 8% และแทนทาลัม 4% มีความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส (1,472 องศาฟาเรนไฮต์) มากกว่าไฮ- โลหะผสมที่มีสมรรถนะสูง ซึ่งรวมถึงโลหะผสมที่ใช้ในชิ้นส่วนเทอร์ไบน์ในปัจจุบัน และยังคงแข็งแกร่งขึ้นเมื่อนำกลับลงมาที่อุณหภูมิห้อง Rodriguez กล่าวว่า "นี่จึงเป็นการได้ประโยชน์ทั้งสองฝ่ายในด้านพลังงานที่ประหยัดมากขึ้นและสิ่งแวดล้อม" Rodriguez กล่าว พลังงานไม่ใช่อุตสาหกรรมเดียวที่จะได้รับประโยชน์จากการค้นพบนี้ นักวิจัยด้านการบินและอวกาศค้นหาวัสดุที่มีน้ำหนักเบาซึ่งคงความแข็งแรงในความร้อนสูง นอกจากนี้ Nic Argibay นักวิทยาศาสตร์ของ Ames Lab กล่าวว่า Ames และ Sandia กำลังร่วมมือกับอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อสำรวจว่าโลหะผสมแบบนี้สามารถนำมาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ได้อย่างไร Argibay กล่าวว่า "ทฤษฎีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่นำโดย Ames Lab สามารถให้ความเข้าใจเกี่ยวกับต้นกำเนิดของอะตอมของคุณสมบัติที่มีประโยชน์เหล่านี้ และขณะนี้เรากำลังอยู่ในกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพของโลหะผสมประเภทใหม่นี้เพื่อรับมือกับความท้าทายด้านการผลิตและความสามารถในการปรับขนาด" Argibay กล่าว โครงการวิจัยและพัฒนาของ Department of Energy และ Sandia"s Laboratory Directed Research and Development ให้ทุนสนับสนุนการวิจัย Discovery เน้นการเปลี่ยนแปลงในด้านวัสดุศาสตร์ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือที่เรียกว่าการพิมพ์ 3 มิติ เป็นวิธีการผลิตที่หลากหลายและประหยัดพลังงาน เทคนิคการพิมพ์ทั่วไปใช้เลเซอร์กำลังสูงในการหลอมละลายวัสดุ โดยปกติจะเป็นพลาสติกหรือโลหะ จากนั้นเครื่องพิมพ์จะฝากวัสดุนั้นไว้เป็นชั้นๆ สร้างวัตถุในขณะที่วัสดุที่หลอมละลายจะเย็นตัวและแข็งตัวอย่างรวดเร็ว โรงไฟฟ้า แต่งานวิจัยชิ้นใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำมาใช้ใหม่เพื่อเป็นแนวทางในการผลิตวัสดุใหม่ๆ ได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพได้อย่างไร สมาชิกในทีม Sandia ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อละลายผงโลหะเข้าด้วยกันอย่างรวดเร็ว แล้วพิมพ์ตัวอย่างทันที การสร้างของ Sandia ยังแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในการพัฒนาโลหะผสม เนื่องจากไม่มีโลหะชนิดใดที่เป็นวัสดุมากกว่าครึ่ง เมื่อเปรียบเทียบแล้ว เหล็กกล้ามีธาตุเหล็กประมาณ 98% รวมกับคาร์บอน รวมถึงองค์ประกอบอื่นๆ “เหล็กและคาร์บอนเล็กน้อยเปลี่ยนโลก” คุสตาสกล่าว "เรามีตัวอย่างมากมายที่เราได้รวมสองหรือสามองค์ประกอบเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโลหะผสมทางวิศวกรรมที่เป็นประโยชน์ ตอนนี้ เรากำลังเริ่มแยกเป็นสี่หรือห้าหรือมากกว่านั้นภายในวัสดุเดียว และนั่นคือตอนที่มันเริ่มได้รับ น่าสนใจและท้าทายจากมุมมองด้านวัสดุศาสตร์และโลหะวิทยา" ความสามารถในการปรับขนาด ต้นทุน คือความท้าทายที่ต้องเอาชนะ ก้าวต่อไป ทีมงานสนใจที่จะสำรวจว่าเทคนิคการสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ขั้นสูงสามารถช่วยนักวิจัยค้นพบองค์ประกอบเพิ่มเติมของซูเปอร์อัลลอยประเภทใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นสารเติมแต่งสำหรับการผลิตในอนาคตได้หรือไม่ Michael Chandross นักวิทยาศาสตร์ของ Sandia ผู้เชี่ยวชาญด้านการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ระดับอะตอมกล่าวว่า "สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนมาก" ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการศึกษานี้กล่าว "โลหะทั้งหมดเหล่านี้ทำปฏิกิริยากันในระดับจุลทรรศน์ แม้แต่ในระดับอะตอม และปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นตัวกำหนดว่าโลหะมีความแข็งแกร่งเพียงใด อ่อนตัวได้เพียงใด จุดหลอมเหลวจะเป็นอย่างไร และอื่นๆ แบบจำลองของเราต้องใช้เวลามาก จากการคาดเดาจากโลหะวิทยาเพราะสามารถคำนวณทั้งหมดนั้นและทำให้เราสามารถทำนายประสิทธิภาพของวัสดุใหม่ก่อนที่เราจะสร้างมันขึ้นมา" Kustas กล่าวว่ามีความท้าทายรออยู่ข้างหน้า ประการหนึ่ง อาจเป็นเรื่องยากที่จะผลิตซูเปอร์อัลลอยใหม่ในปริมาณมากโดยไม่มีรอยแตกขนาดจิ๋ว ซึ่งเป็นความท้าทายทั่วไปในการผลิตแบบเติมเนื้อ นอกจากนี้เขายังกล่าวอีกว่าวัสดุที่ทำโลหะผสมนั้นมีราคาแพง ดังนั้น โลหะผสมอาจไม่เหมาะสมในสินค้าอุปโภคบริโภค ซึ่งการลดต้นทุนเป็นข้อกังวลหลัก Kustas กล่าวว่า "ด้วยคำเตือนเหล่านี้ หากสามารถปรับขนาดได้และเราสามารถสร้างส่วนนี้ได้เป็นจำนวนมาก ก็จะกลายเป็นตัวเปลี่ยนเกม" Kustas กล่าว Sandia National Laboratories เป็นห้องปฏิบัติการแบบหลายภารกิจที่ดำเนินการโดย National Technology and Engineering Solutions ของ Sandia LLC ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Honeywell International Inc. สำหรับสำนักงานบริหารความมั่นคงนิวเคลียร์แห่งชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ Sandia Labs มีหน้าที่รับผิดชอบด้านการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญในด้านการป้องกันนิวเคลียร์ ความมั่นคงทั่วโลก การป้องกัน เทคโนโลยีพลังงาน และความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจ โดยมีโรงงานหลักในเมืองอัลบูเคอร์คี รัฐนิวเม็กซิโก และเมืองลิเวอร์มอร์ รัฐแคลิฟอร์เนีย