Η τρισδιάστατη τυπωμένη δομή τιτανίου δείχνει υπερφυσική δύναμη
Ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο «μεταϋλικό» με επίπεδα αντοχής για το βάρος που δεν παρατηρούνται κανονικά στη φύση ή στην κατασκευή θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο φτιάχνουμε τα πάντα, από ιατρικά εμφυτεύματα μέχρι εξαρτήματα αεροσκαφών ή πυραύλων.
Ο επικεφαλής της μελέτης Jordan Noronha κρατά τον κύβο από πλέγμα τιτανίου. Πίστωση εικόνας: Πανεπιστήμιο RMIT
Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου RMIT δημιούργησαν το νέο μεταϋλικό - έναν όρο που χρησιμοποιείται για να περιγράψει ένα τεχνητό υλικό με μοναδικές ιδιότητες που δεν παρατηρούνται στη φύση - από κοινό κράμα τιτανίου.
Αλλά είναι ο μοναδικός σχεδιασμός της δομής πλέγματος του υλικού, που αποκαλύφθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Materials, που το καθιστά κάθε άλλο παρά συνηθισμένο: οι δοκιμές δείχνουν ότι είναι 50% ισχυρότερο από το επόμενο ισχυρότερο κράμα παρόμοιας πυκνότητας που χρησιμοποιείται σε αεροδιαστημικές εφαρμογές.
Βελτίωση του Σχεδιασμού της Φύσης
Οι δικτυωτές κατασκευές από κοίλα αντηρίδες ήταν αρχικά εμπνευσμένες από τη φύση: ισχυρά φυτά με κοίλο στέλεχος όπως το νούφαρο Victoria ή το σκληραγωγημένο κοράλλι (Tubipora musica) μας έδειξαν τον τρόπο να συνδυάσουμε ελαφρότητα και δύναμη.
Ωστόσο, όπως εξηγεί ο διακεκριμένος καθηγητής του RMIT Ma Qian, οι δεκαετίες προσπάθειας αναπαραγωγής αυτών των κοίλων «κυτταρικών δομών» σε μέταλλα έχουν απογοητευτεί από τα κοινά ζητήματα κατασκευής και την πίεση φορτίου που επικεντρώνεται στις εσωτερικές περιοχές των κοίλων αντηρίδων, οδηγώντας σε πρόωρες αστοχίες.
«Ιδανικά, το στρες σε όλα τα πολύπλοκα κυτταρικά υλικά θα πρέπει να κατανέμεται ομοιόμορφα», εξήγησε ο Qian.
«Ωστόσο, για τις περισσότερες τοπολογίες, είναι σύνηθες λιγότερο από το μισό υλικό να φέρει κυρίως το συμπιεστικό φορτίο, ενώ ο μεγαλύτερος όγκος υλικού είναι δομικά ασήμαντος».
Η μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση παρέχει πρωτοφανείς καινοτόμες λύσεις σε αυτά τα ζητήματα.
Ωθώντας τον σχεδιασμό της τρισδιάστατης εκτύπωσης στα όριά του, η ομάδα RMIT βελτιστοποίησε έναν νέο τύπο δομής πλέγματος για να κατανείμει την πίεση πιο ομοιόμορφα, ενισχύοντας την αντοχή ή τη δομική του απόδοση.
"Σχεδιάσαμε μια κοίλη σωληνοειδή δομή πλέγματος που έχει μια λεπτή ταινία που τρέχει μέσα της. Αυτά τα δύο στοιχεία μαζί δείχνουν δύναμη και ελαφρότητα που δεν έχουν ξαναδεί μαζί στη φύση", είπε ο Qian.
«Με την αποτελεσματική συγχώνευση δύο συμπληρωματικών δομών πλέγματος για την ομοιόμορφη κατανομή του στρες, αποφεύγουμε τα αδύνατα σημεία όπου το άγχος συνήθως συγκεντρώνεται».
Ισχύς που λειτουργεί με λέιζερ
Η ομάδα 3D εκτύπωσε αυτό το σχέδιο στο Advanced Manufacturing Precinct του RMIT χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται σύντηξη κλίνης σκόνης λέιζερ, όπου στρώματα μεταλλικής σκόνης λιώνουν στη θέση τους χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος.
Η δοκιμή έδειξε ότι το τυπωμένο σχέδιο - ένας κύβος πλέγματος τιτανίου - ήταν 50% ισχυρότερος από το χυτό κράμα μαγνησίου WE54, το ισχυρότερο κράμα παρόμοιας πυκνότητας που χρησιμοποιείται σε αεροδιαστημικές εφαρμογές. Η νέα δομή είχε ουσιαστικά μειώσει στο μισό την ποσότητα της πίεσης που συγκεντρώθηκε στα περίφημα αδύναμα σημεία του πλέγματος.
Ο σχεδιασμός διπλού πλέγματος σημαίνει επίσης ότι τυχόν ρωγμές εκτρέπονται κατά μήκος της δομής, ενισχύοντας περαιτέρω την σκληρότητα.
Ο κύριος συγγραφέας της μελέτης και υποψήφιος διδάκτορας RMIT, Jordan Noronha, είπε ότι θα μπορούσαν να φτιάξουν αυτή τη δομή σε κλίμακα πολλών χιλιοστών ή πολλών μέτρων σε μέγεθος χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους εκτυπωτών.
Αυτή η δυνατότητα εκτύπωσης, μαζί με την αντοχή, τη βιοσυμβατότητα, τη διάβρωση και την αντοχή στη θερμότητα το καθιστούν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για πολλές εφαρμογές από ιατρικές συσκευές, όπως εμφυτεύματα οστών έως εξαρτήματα αεροσκαφών ή πυραύλων.
«Σε σύγκριση με το ισχυρότερο διαθέσιμο χυτό κράμα μαγνησίου που χρησιμοποιείται σήμερα σε εμπορικές εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή και ελαφρύ, το μεταϋλικό μας από τιτάνιο με συγκρίσιμη πυκνότητα αποδείχθηκε ότι είναι πολύ ισχυρότερο ή λιγότερο επιρρεπές σε μόνιμη αλλαγή σχήματος υπό συμπιεστική φόρτιση, για να μην αναφέρουμε ότι είναι πιο εφικτό σε κατασκευή», είπε η Noronha.
Η ομάδα σχεδιάζει να βελτιώσει περαιτέρω το υλικό για μέγιστη απόδοση και να διερευνήσει εφαρμογές σε περιβάλλοντα υψηλότερης θερμοκρασίας.
Αν και επί του παρόντος είναι ανθεκτικό σε θερμοκρασίες έως και 350 βαθμούς, πιστεύουν ότι θα μπορούσε να κατασκευαστεί για να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 600 βαθμούς χρησιμοποιώντας πιο ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα τιτανίου, για εφαρμογές στην αεροδιαστημική ή πυροσβεστικά drones.
Καθώς η τεχνολογία για την κατασκευή αυτού του νέου υλικού δεν είναι ακόμη ευρέως διαθέσιμη, η υιοθέτησή του από τη βιομηχανία μπορεί να πάρει κάποιο χρόνο.
«Οι παραδοσιακές διαδικασίες κατασκευής δεν είναι πρακτικές για την κατασκευή αυτών των περίπλοκων μεταλλικών μεταϋλικών και δεν έχουν όλοι μια μηχανή σύντηξης λέιζερ σε σκόνη στην αποθήκη τους», είπε.
"Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, θα γίνεται πιο προσιτή και η διαδικασία εκτύπωσης θα γίνει πολύ πιο γρήγορη, επιτρέποντας σε ένα μεγαλύτερο κοινό να εφαρμόσει τα υψηλής αντοχής πολυτοπολογικά μεταϋλικά μας στα εξαρτήματά τους. Είναι σημαντικό ότι η μεταλλική τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την εύκολη κατασκευή δικτυωτού σχήματος για πραγματικές εφαρμογές».
Ο Τεχνικός Διευθυντής του Advanced Manufacturing Precinct του RMIT, διακεκριμένος καθηγητής Milan Brandt, δήλωσε ότι η ομάδα καλωσόρισε τις εταιρείες που θέλουν να συνεργαστούν σε πολλές πιθανές εφαρμογές.
«Η προσέγγισή μας είναι να εντοπίζουμε προκλήσεις και να δημιουργούμε ευκαιρίες μέσω συνεργατικού σχεδιασμού, ανταλλαγής γνώσεων, μάθησης με βάση την εργασία, κριτικής επίλυσης προβλημάτων και μετάφρασης της έρευνας», είπε.
