ساختار تیتانیوم پرینت سه بعدی قدرت ماوراء طبیعی را نشان می دهد

یک «فراماده» پرینت سه بعدی که دارای سطوحی از استحکام برای وزن است که معمولاً در طبیعت یا تولید دیده نمی شود، می تواند نحوه ساخت همه چیز از ایمپلنت های پزشکی گرفته تا قطعات هواپیما یا موشک را تغییر دهد.

جردن نورونا، سرپرست مطالعه، مکعب شبکه تیتانیوم را نگه می دارد. اعتبار تصویر: دانشگاه RMIT

محققان دانشگاه RMIT متامتریال جدید - اصطلاحی که برای توصیف یک ماده مصنوعی با خواص منحصر به فرد که در طبیعت مشاهده نمی شود - از آلیاژ تیتانیوم معمولی ایجاد کردند.

اما این طراحی منحصر به فرد ساختار شبکه ای این ماده است که اخیراً در مجله Advanced Materials فاش شده است، که آن را غیر از رایج می کند: آزمایش ها نشان می دهد که 50٪ قوی تر از قوی ترین آلیاژ بعدی با چگالی مشابه است که در کاربردهای هوافضا استفاده می شود.

بهبود طراحی طبیعت

سازه های مشبک ساخته شده از پایه های توخالی در اصل از طبیعت الهام گرفته شده اند: گیاهان قوی با ساقه توخالی مانند نیلوفر آبی ویکتوریا یا مرجان لوله اندام مقاوم (Tubipora musica) راه ترکیب سبکی و قدرت را به ما نشان دادند.

با این حال، همانطور که پروفسور برجسته RMIT، Ma Qian توضیح می دهد، دهه ها تلاش برای تکرار این «ساختارهای سلولی» توخالی در فلزات به دلیل مسائل رایج مربوط به قابلیت ساخت و تمرکز بار بر روی نواحی داخلی پایه های توخالی ناامید شده است که منجر به خرابی های زودرس می شود.

کیان توضیح داد: «در حالت ایده‌آل، تنش در همه مواد سلولی پیچیده باید به طور یکنواخت پخش شود.

با این حال، برای اکثر توپولوژی ها، معمول است که کمتر از نیمی از مواد عمدتاً بار فشاری را تحمل کنند، در حالی که حجم بیشتر مواد از نظر ساختاری ناچیز است.

پرینت سه بعدی فلزی راه حل های ابتکاری بی سابقه ای برای این مسائل ارائه می دهد.

با فشار دادن طرح چاپ سه بعدی به محدودیت های خود، تیم RMIT نوع جدیدی از ساختار شبکه را بهینه کرد تا تنش را به طور یکنواخت توزیع کند و استحکام یا کارایی ساختاری آن را افزایش دهد.

کیان گفت: "ما یک ساختار شبکه‌ای لوله‌ای توخالی طراحی کردیم که یک نوار نازک در داخل آن قرار دارد. این دو عنصر در کنار هم قدرت و سبکی را نشان می‌دهند که هرگز در طبیعت با هم دیده نشده‌اند."

با ادغام موثر دو ساختار شبکه مکمل برای توزیع یکنواخت تنش، از نقاط ضعفی که استرس معمولاً در آن متمرکز می‌شود جلوگیری می‌کنیم.

قدرت لیزر

تیم این طرح را به صورت سه بعدی در محوطه تولید پیشرفته RMIT با استفاده از فرآیندی به نام همجوشی بستر پودر لیزری، که در آن لایه‌های پودر فلز با استفاده از پرتو لیزر پرقدرت در جای خود ذوب می‌شوند، چاپ کردند.

آزمایش نشان داد که طرح چاپ شده - یک مکعب شبکه تیتانیوم - 50٪ قوی تر از آلیاژ منیزیم ریخته گری WE54 است که قوی ترین آلیاژ با چگالی مشابه در کاربردهای هوافضا است. ساختار جدید به طور موثر میزان تنش متمرکز بر نقاط ضعف بدنام شبکه را به نصف کاهش داده بود.

طراحی شبکه دوتایی همچنین به این معنی است که هر گونه ترک در امتداد سازه منحرف می شود و چقرمگی را بیشتر می کند.

نویسنده اصلی این مطالعه و کاندیدای دکترای RMIT، جردن نورونها، گفت که آنها می توانند این ساختار را در مقیاس چند میلی متر یا چند متر با استفاده از انواع مختلف چاپگرها بسازند.

این قابلیت چاپ، همراه با استحکام، زیست سازگاری، خوردگی و مقاومت در برابر حرارت، آن را به یک نامزد امیدوارکننده برای بسیاری از کاربردها از دستگاه‌های پزشکی مانند ایمپلنت استخوان گرفته تا قطعات هواپیما یا موشک تبدیل کرده است.

در مقایسه با قوی ترین آلیاژ منیزیم ریخته گری موجود که در حال حاضر در کاربردهای تجاری به استحکام بالا و سبک وزن استفاده می شود، متاموماد تیتانیوم ما با چگالی قابل مقایسه بسیار قوی تر یا کمتر مستعد تغییر شکل دائمی تحت بارگذاری فشاری است، و البته امکان پذیرتر است. نورونها گفت.

این تیم قصد دارد مواد را برای حداکثر بازدهی بیشتر اصلاح کند و کاربردها را در محیط های با دمای بالاتر بررسی کند.

در حالی که در حال حاضر در برابر دماهای بالای 350 درجه مقاوم است، اما آنها معتقدند که می توان آن را با استفاده از آلیاژهای تیتانیوم مقاوم در برابر حرارت بیشتر برای کاربرد در هوافضا یا هواپیماهای بدون سرنشین آتش نشانی برای تحمل دمای تا 600 درجه ساخت.

از آنجایی که فناوری ساخت این ماده جدید هنوز به طور گسترده در دسترس نیست، پذیرش آن توسط صنعت ممکن است مدتی طول بکشد.

او گفت: «فرآیندهای تولید سنتی برای ساخت این فرامواد پیچیده فلزی عملی نیست و هرکسی دستگاه همجوشی بستر پودر لیزری در انبار خود ندارد.

با این حال، با توسعه فناوری، دسترسی به آن بیشتر خواهد شد و فرآیند چاپ بسیار سریع‌تر می‌شود و مخاطبان بیشتری را قادر می‌سازد تا متامواد چند توپولوژیکی ما را در اجزای خود پیاده‌سازی کنند. نکته مهم این است که چاپ سه بعدی فلزی امکان ساخت آسان شکل شبکه را فراهم می‌کند. برای برنامه های واقعی."

مدیر فنی بخش تولید پیشرفته RMIT، پروفسور برجسته میلان برانت، گفت که تیم از شرکت هایی که مایل به همکاری در بسیاری از برنامه های کاربردی بالقوه هستند استقبال می کند.

وی گفت: رویکرد ما شناسایی چالش‌ها و ایجاد فرصت‌ها از طریق طراحی مشارکتی، تبادل دانش، یادگیری مبتنی بر کار، حل مسئله انتقادی و ترجمه تحقیق است.