I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno scoperto un metodo per guidare il modo in cui, durante la produzione additiva, gli atomi si depositano durante la solidificazione del metallo, controllando le proprietà del materiale direttamente su scala atomica.
Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory e i loro collaboratori hanno dimostrato un metodo per superare le sfide del tradizionale processo di produzione additiva. Regolando la velocità del laser in una lega dalla composizione complessa (detta anche lega ad alta entropia), hanno scoperto un metodo per guidare il modo in cui gli atomi si depositano durante la solidificazione del metallo, in modo da controllare proprietà del materiale direttamente su scala atomica. L’articolo è pubblicato sulla rivista Advanced Materials.
La tecnologia di nuova generazione richiede materiali di nuova generazione che possano essere adattati alle specifiche esigenze della missione. La produzione additiva, o stampa 3D, ha già rivoluzionato settori come l’ingegneria aerospaziale, consentendo la progettazione di componenti prima impensabili. Tuttavia, questa tecnica è stata in gran parte limitata alle leghe metalliche preesistenti. Ciò è dovuto alla complessità intrinseca del processo, che porta a microstrutture lontane dall’equilibrio e a proprietà meccaniche difficili da prevedere.
Il team di ricerca del Lawrence Livermore National Laboratory ha combinato la modellazione termodinamica e la dinamica molecolare per simulare la stampa 3D di leghe ad alta entropia, una promettente classe di materiali metallici, per determinare l’impatto della velocità di raffreddamento sulle strutture interne. La loro scoperta ha rivelato che la velocità della scansione laser potrebbe controllare il modo in cui gli atomi si fissano in posizione.
La velocità del laser influenza le proprietà
“Aumentando la velocità del laser, aumenta la velocità di raffreddamento, e man mano che il materiale si raffredda più velocemente, ha meno tempo per riorganizzarsi in una configurazione a bassa energia. Questo congela il materiale in uno stato di non equilibrio, che può essere utilizzato per regolare le strutture atomiche e le conseguenti proprietà meccaniche” spiega Thomas Voisin, vicedirettore del gruppo.
Un raffreddamento rapido rende la lega molto resistente ma più fragile, mentre un raffreddamento più lento consente la formazione di strutture più flessibili ed equilibrate. Ciò consente ai ricercatori di sfruttare la versatilità unica delle leghe ad alta entropia, adattandone le proprietà per soddisfare esigenze specifiche.
È come scegliere tra una piastrella di ceramica rigida e una graffetta pieghevole: una resiste alla forza ma si rompe improvvisamente, l’altra cede e si flette. Semplicemente regolando la velocità del laser con questa specifica lega metallica, i ricercatori hanno creato l’intero spettro di proprietà all’interno di un singolo materiale.
Progettazione dei materiali futuri
Il risultato rappresenta una svolta nella progettazione dei materiali metallici. Invece di affidarsi a ricette basate su tentativi ed errori, la produzione additiva potrebbe diventare una piattaforma per la progettazione di metalli con proprietà programmate. “Siamo ora in grado di progettare efficacemente nuovi materiali che sfruttano appieno le caratteristiche della produzione additiva, come la velocità di raffreddamento estremamente rapida” conclude Voisin.
Questo approccio del Lawrence Livermore National Laboratory indica una nuova era nella scienza dei materiali, in cui la produzione additiva non è solo uno strumento di produzione, ma un motore per le scoperte nei settori della sicurezza nazionale e commerciale.
Foto: Daniel Herchek/LLNL
