หนึ่งในความต้องการด้านวัสดุศาสตร์ของอุตสาหกรรมอวกาศคือวัสดุที่ทนความร้อนและทนต่อแรงกระทำหรือความเครียดในทางฟิสิกส์ได้ดี และสามารถนำมาขึ้นรูปสามมิติได้โดยที่มีราคาต่ำลง ซึ่งก่อนหน้านี้โลหะผสมที่มีคุณสมบัติเหล่านี้มีราคาที่สูงและยากต่อการผลิต ปัจจุบัน NASA ได้พัฒนาสูตรวัสดุผสมที่ดีและสามารถพิมพ์ด้วยเทคโนโลยีสามมิติ ทนความร้อนที่สูงได้นานกว่าเทคโนโลยีเดิมถึงสองเท่าและคาดว่าจะสามารถทำให้ราคาถูกลงได้

ภาพถ่ายชิ้นส่วนกังหันเครื่องยนต์เจ็ตที่ถูกพิมพ์โดยโลหะสูตร GRX-810 ภาพจาก NASA.jpg

วัสดุชนิดใหม่ที่ NASA พัฒนาสูตรขึ้นมามีชื่อ GRX-810 ซึ่งเป็นสูตรผสมโลหะที่สามารถทนทานต่อความร้อนได้ตั้งแต่ 1,000–1,320 ºC ซึ่งเป็นความร้อนที่สูงมาก ใช้สารตั้งต้นของวัสดุชนิดใหม่นี้มีสูตรผสมคือ นิกเกิล โคบอลต์ และโครเมียม ซึ่งเป็นโลหะราคาไม่แพงและอยู่ในลักษณะของผงโลหะผสม ผ่านการเคลือบด้วยออกไซด์เซรามิกเพื่อเพิ่มความทนทานต่อความร้อนและเพิ่มสมรรถนะ วัสดุประเภทนี้เรียกว่า Oxide Dispersion Strengthened (ODS) Alloys นับว่าเป็นครั้งแรกที่กระบวนการคิดค้นสูตรโลหะแบบสามมิตินี้เกิดขึ้นการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์

ภาพถ่ายสัญลักษณ์ NASA ที่ถูกพิมพ์อย่างสามมิติด้วยโลหะผสม GRX-810 ที่ถูกเผาให้มีความร้อนที่สูงจัดจนเป็นสีแดง แต่ยังคงมีความทนทานต่อความเครียดและแรงกดทับสูงกว่าวัสดุที่เคยใช้มาก่อน ภาพจาก NASA

หนึ่งในความท้าทายของสูตรการผสมโลหะนี้คือการเคลือบด้วยออกไซด์ของเซรามิก เนื่องจากการจะเคลือบผงออกไซด์ให้ทั่วเนื้อของโลหะขึ้นรูปต้องเคลือบทั่วทั้งพื้นผิวอย่างสม่ำเสมอและเป็นเนื้อเดียวกัน ทางทีมวิจัยจึงพัฒนาวิธีการเคลือบเทคนิค Resonant Acoustic Mixing โดยใช้การสั่นสะเทือนความถี่สูงกับภาชนะที่บรรจุผงโลหะและอนุภาคนาโนออกไซด์ ทำให้สามารถเคลือบผงนี้ได้ทั่วทั้งพื้นผิว และแม้จะบดชิ้นส่วนที่ผลิตเสร็จแล้วกลับมาเป็นผงและนำไปพิมพ์ใหม่ ชิ้นส่วนที่ได้ก็ยังคงมีคุณสมบัติแบบ ODS อยู่

หนึ่งในทีมวิจัยได้กล่าวว่าวิธีการนี้เมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์แล้วมันเหมือนกับการโรยผงน้ำตาลไอซิงบนโดนัท

ภาพถ่ายตัวอย่างชิ้นงานโลหะที่ถูกพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ ด้วยโลหะ GRX-810 ที่ถูก NASA พัฒนาขึ้น ภาพจาก NASA

ผลการทดสอบคุณสมบัติของโลหะสูตร GRX-810 พบว่ามันสามารถทนความร้อน 1,000 องศาเซลเซียสได้นานถึงหนึ่งปีในขณะที่วัสดุอื่นจะแตกหักภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง นอกจากนี้ Elementum 3D บริษัทคู่พัฒนาวัสดุกับ NASA ได้กล่าวว่า วัสดุสูตรนี้สามารถทำงานภายใต้ความร้อนและแรงกดทับหนักได้ดีมาก ทั้งที่เมื่อเทียบกันกับวัสดุอื่นแล้วมันควรจะนิ่มและหลอมกลายเป็นเนื้อทอฟฟีเหนียว ๆ ไปแล้ว ซึ่งผลการทดสอบในครั้งนี้เป็นครั้งแรกที่มีการใช้งาน GRX-810 ในระดับอุตสาหกรรม อันแสดงถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าสูตรวัสดุอื่นทั่วไปถึง 2 เท่าเมื่อเทียบกับวัสดุเก่าของ NASA แม้มาตรฐานวัสดุเก่าที่ NASA ใช้งานมาก็ยอดเยี่ยมมากอยู่แล้ว

ขณะนี้ NASA กำลังร่วมมือกับภาคเอกชนในการพัฒนาสูตรของ GRX-810 ให้สามารถใช้กับงานต่าง ๆ ได้มากยิ่งขึ้น เช่น เซนเซอร์สำหรับการตรวจวัดภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์เจ็ตที่มีความทนทานได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งเซนเซอร์ทั่วไปมักจะเสียหายในเวลาไม่นาน แต่หากนำ GRX-810 มาใช้งานเป็นวัสดุตั้งต้นของเซนเซอร์อาจจะสามารถใช้งานได้นานมากขึ้น ลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงเซนเซอร์เหล่านี้สำหรับการทดสอบเครื่องยนต์ไปได้อีกมาก เปิดทางให้กับการพัฒนาเครื่องยนต์เจ็ตรุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าเดิม

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

NASA พัฒนา “สูตรโลหะผสม” สามารถพิมพ์สามมิติ-ทนทานต่อความร้อนสูง