در چاپ سه بعدی پودرهای فلزی معمولا از یک منبع پر انرژی مانند لیزر (روش ذوب انتخابی با لیزر، SLM) و یا پرتو الکترونی برای ذوب و اتصال ذرات پودر به یکدیگر استفاده می‌شود؛ چنانچه در هر یک از این روش‌ها از پودرهای فلزی با قابلیت جوش پذیری پایین (مانند پودرهای آلیاژهای آلومینیوم ۷۰۷۵ و ۶۰۶۱) استفاده شود، ساختار نهایی به شدت دچار ترک‌های گرم (hot cracks) شده و قطعه از استحکام لازم برخوردار نخواهد بود. برای رفع این چالش و توسعه‌ی پودرهای فلزی برای استفاده در شکل‌دهی افزایشی، محققان مرکز تحقیقاتی HRL Laboratories به طور ویژه بر روی توسعه‌ی پودرهای آلیاژهای استحکام بالا مانند آلیاژهای آلومینیوم، نیکل و ... متمرکز شده‌اند.
Hunter Martin یکی از محققان این مرکز تحقیقاتی گفت: ”هدف ابتدایی ما این بود که بفهمیم چگونه می‌توان از تشکیل ترک‌های گرم در ساختار جلوگیری کرد. در این خصوص به این نتیجه رسیدیم که برای تحقق این هدف باید ریزساختار را کنترل کرد و راه‌حل باید به گونه‌ای باشد که به طور طبیعی و در حین انجماد ماده این اتفاق رخ دهد.“
برای حل چالش، این تیم تحقیقاتی با انتخاب یک نانوذره ویژه و با استفاده از روشی خاص، پودرهای آلیاژهای آلومینیوم استحکام بالای غیر جوش پذیر را اصلاح نمودند. در ادامه پودر فلزی اصلاح شده با استفاده از یک چاپگر سه بعدی مبتنی بر لیزر (SLM) برای چاپ قطعه استفاده شد. در حین ذوب و انجماد، نانوذرات به عنوان مکان‌های جوانه زنی در ساختار آلیاژ عمل کرده، مانع از تشکیل ترک‌های گرم شدند و در نتیجه از کاهش استحکام قطعه چاپ شده جلوگیری کردند.
بررسی‌ها نشان داد برای آلیاژهای آلومینیوم، نانوذرات زیرکونیوم بهترین انتخاب برای اصلاح پودر است. به گفته Yahata یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی، روشی که در گذشته در متالورژی برای یافتن یک ماده مناسب استفاده می‌شد معمولا از طریق سعی و خطا و با آزمودن تعداد زیادی از مواد بود. اما در حال حاضر ما توانستیم با استفاده از نرم‌افزار informatics و با یک رویکرد انتخابی مبتنی بر تئوری جوانه زنی موادی را پیدا کنیم که دقیقا همان خصوصیات مورد نیاز را داشته باشند.
شماتیک فرآیند چاپ سه بعدی مبتنی بر لیزر و یا پرتو الکترونی در مرکز تصویر فوق نمایش داده شده است، در این فرآیند یک منبع انرژی مستقیم (لیزر، پرتو الکترونی) لایه‌ای از پودر فلزی (رنگ زرد) را ذوب کرده، سپس لایه منجمد شده (آبی و قرمز) و در نهایت به لایه قبلی اتصال می‌یابد (خاکستری). (a) پودر آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵، (b) پودر آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵ اصلاح شده با نانوذرات، (c) ساختار انجمادی متداول آلیاژهایی با قابلیت جوش پذیری پایین مانند آلیاژ آلومینیوم ۷۰۷۵، ساختار دندریتی ستونی و در نهایت انقباض ناشی از انجماد که باعث ایجاد ترک می‌شود، (d) نقش نانوذرات در ایجاد مکان‌های جوانه زنی غیرهمگن که منجر به ایجاد ساختاری با دانه‌های هم محور شده و کرنش‌های انجمادی را کاهش می‌دهد، (e) آنالیز ساختاری و جهت گیری دانه‌ها در چاپ سه بعدی پودر متداول که حاکی از تشکیل ترک‌های متناوب در ساختار است، (f) آنالیز ساختاری پودرهای اصلاح شده با نانوذرات که حاکی از تغییر مرفولوژی ساختار از ستونی به هم محور و در نتیجه حذف ترک می‌باشد، (g,h) دو نمونه چاپ شده با پودر اصلاح شده
اعضای این تیم تحقیقاتی بر این باورند که اصلاح پودرهای فلزی با استفاده از نانوذرات برای افزایش قابلیت چاپ پذیری فصل جدیدی از شکل‌دهی افزایشی را در تحقیقات و صنعت باز خواهد کرد.
