Τα μετα-υλικά με βάση το τιτάνιο ξεκλειδώνουν τη δύναμη πέρα από τη φύση.
Ένα πρωτοποριακό μετα-υλικό τιτανίου με απαράμιλλη δύναμη και ευελιξία θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην παραγωγή και την αεροπορία υψηλής ταχύτητας.
Έχει κατασκευαστεί ένα ελαφρύ υλικό τιτανίου υψηλής αντοχής, το οποίο θα μπορούσε να οδηγήσει σε ισχυρότερα ιατρικά προϊόντα και καινοτόμα σχέδια οχημάτων και διαστημικών οχημάτων. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα κοινό κράμα τιτανίου, TI -6 al -4 v, για να κατασκευάσει το "metamaterial", έναν όρο που χρησιμοποιείται για να περιγράψει ένα τεχνητό υλικό που διαθέτει μοναδικές ιδιότητες που δεν παρατηρούνται στη φύση - meta " πέρα από το "στα ελληνικά.
Πολλές τέτοιες περίπλοκες και εκπληκτικά ισχυρές δομές υπάρχουν στη φύση, όπως αυτή της Victoria Water Lily. Εγκεφάλου στη Νότια Αμερική, αυτό το γιγαντιαίο πλωτό φύλλο είναι αρκετά ισχυρή για να υποστηρίξει έναν ενήλικα λόγω της μοναδικής δομής πλέγματος των φλεβών του.
Οι δομές των ανθρωπογενών υλικών μπορούν να σχεδιαστούν για να μιμούνται αυτά τα φυτά και άλλα φυσικά πορώδη υλικά όπως τα κοράλλια, με διαφορετικά πλέγματα που κυμαίνονται από απλούς κύβους έως σύνθετα δωδεκαδρόνια. Οι πόροι σε αυτές τις δομές πλέγματος διασυνδέονται, σχηματίζοντας κανάλια. Γνωστά ως "κυτταρικά" υλικά, αυτά τα υλικά πλέγματος συχνά έρχονται με εμπόριο αντοχής, αν δεν έχουν σχεδιαστεί σωστά, σύμφωνα με τους ερευνητές του RMIT.
"Ωστόσο, η Metal 3D εκτύπωση είναι ένας εναλλάκτης παιχνιδιών, επιτρέποντας στους ερευνητές να σχεδιάσουν και να κατασκευάζουν εξαιρετικά καινοτόμο φως και ισχυρά κυτταρικά μέταλλα", δήλωσε η Jordan Noronha, Ph.D. υποψήφιος που εργάστηκε στο έργο στο RMIT.
Σε κυτταρικά υλικά, τα πλέγματα συνδέονται σε τρεις διαστάσεις με λεπτές, στερεές ράβδους ή δοκούς που ονομάζονται αντηρίδες. Χρησιμοποιώντας κοίλες αντηρίδες, οι ερευνητές στοχεύουν να κάνουν ένα κυτταρικό υλικό χαμηλής πυκνότητας εξίσου ισχυρό με ένα στερεό μεταλλικό κράμα με παρόμοια πυκνότητα με κράματα μαγνησίου υψηλής αντοχής.
Εκτύπωση του μετα -υλικού
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Ma Qian, καθηγητή στο Κέντρο RMIT για την κατασκευή πρόσθετων, χρησιμοποίησε μια διαδικασία εκτύπωσης 3D που ονομάζεται "Fusion Bed Bed" Laser "για να κατασκευάσει τα μετα -υλικά τιτανίου. Αυτή η τεχνική, η οποία κατασκευάζει ένα στρώμα υλικού με στρώμα χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος, χρησιμοποιείται συνήθως για την παρασκευή σύνθετων εξαρτημάτων κατασκευής από λιγότερο από ένα χιλιοστό έως σχεδόν δύο μέτρα σε μέγεθος.
Ο Qian εξήγησε την προσέγγιση της ομάδας του. "Πρώτον, ολόκληρο το δείγμα μετα -υλικού πλέγματος έχει σχεδιαστεί ως ψηφιακό μοντέλο. Στη συνέχεια, αυτό το μοντέλο είναι ψηφιακά κομμένο σε πολλά λεπτά στρώματα χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο λογισμικού".
"Αυτή η διαδικασία κατασκευής με βάση το στρώμα περιλαμβάνει την τήξη λέιζερ των μεταλλικών σκονών, την ταχεία στερεοποίηση του υγρού μετάλλου (τις λιωμένες μεταλλικές σκόνες) και τις επαναλαμβανόμενες διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης του στερεοποιημένου μετάλλου", επεξεργάστηκε.
Ο Qian λέει ότι ολόκληρη η διαδικασία διαρκεί σήμερα περίπου 18 ώρες, αλλά μέσω της βελτιστοποίησης, ο ίδιος και η ομάδα του σχεδιάζουν να μειώσουν το χρονικό πλαίσιο στο μέλλον.
Τι κάνει το υλικό τόσο ισχυρό;
Οι κοίλες αντηρίδες και οι λεπτές πλάκες είναι οι δύο τοπολογίες που είναι υπεύθυνες για την υψηλή αντοχή του metamalial. Σε αντίθεση με τα περισσότερα κυτταρικά υλικά, τα οποία περιέχουν αδύναμα σημεία όπου συμπυκνώνεται το στρες, αυτά τα δύο συμπληρωματικά πλέγματα διανέμουν ομοιόμορφα το στρες ενώ παράλληλα παρέχουν υποστήριξη.
"Στην ιδανική περίπτωση, το άγχος σε όλα τα κυτταρικά υλικά πρέπει να εξαπλωθεί ομοιόμορφα", εξήγησε ο Qian. "Ωστόσο, για τις περισσότερες τοπολογίες, είναι κοινό για λιγότερο από το ήμισυ του υλικού να φέρει κυρίως το συμπιεστικό φορτίο, ενώ ο μεγαλύτερος όγκος του υλικού είναι δομικά ασήμαντο".
"Αυτός ο σχεδιασμός πολλαπλών τοπολογίας προάγει επίσης την εκτροπή των διαδρομών ρωγμών για την ενίσχυση της σκληρότητας", πρόσθεσε. "Αντί για τις ρωγμές που εμφανίζονται απευθείας μέσω του πλέγματος, που εμφανίζονται στα περισσότερα κυτταρικά υλικά, στην τοπολογία πλέγματος με λεπτή πλάκα, οι αντηρίδες και οι πλάκες συνεργάζονται για να εκτρέψουν τις ρωγμές κατά μήκος μιας μακρύτερης διαδρομής".
Τα κράματα μαγνησίου χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε εμπορικές εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή και ελαφριά. Σε σύγκριση με το ισχυρότερο κράμα μαγνησίου που διατίθεται (WE54), ένα δείγμα του μετα -υλικού τιτανίου με συγκρίσιμη πυκνότητα είναι πολύ ισχυρότερο. Τα κράματα μαγνησίου δεν είναι επίσης επιδεκτικά σε σύντηξη με σκόνη λέιζερ ή 3D εκτύπωση λόγω της εξάτμισης της σκόνης, δίνοντας το κράμα τιτανίου ένα πλεονέκτημα κατασκευής.
Επόμενα βήματα και πιθανές εφαρμογές
Πριν από την εμπορία του υλικού, ο Qian και η ομάδα του θέλουν πρώτα να εξασφαλίσουν ότι το υλικό εκτελεί τη μέγιστη απόδοση του.
Για να το κάνουν αυτό, σχεδιάζουν να βελτιώσουν τον τρέχοντα σχεδιασμό τους για να ενισχύσουν και να ελαφρύνουν ακόμη περισσότερο τα μετα -υλικά τους. Για παράδειγμα, με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις, θα προσαρμόσουν το ποσοστό των λεπτών πλακών σε κοίλες αντηρίδες για να επιτρέψουν μια πιο ομοιόμορφη κατανομή τάσης σε ολόκληρη τη δομή.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, εάν το μετα-υλικό κατασκευάζεται από ένα κράμα τιτανίου υψηλής θερμοκρασίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοκρασίες μέχρι 600 βαθμούς. Αυτό το χαρακτηριστικό, μαζί με την αντίσταση της διάβρωσης, καθιστά το υλικό κατάλληλο για χρήση σε αεροσκάφη ή πυραύλους υψηλής ταχύτητας, το οποίο πρέπει να είναι σε θέση να αντέξει την έντονη θερμότητα που παράγεται από τις υψηλές ταχύτητες τους. Τα αεροσκάφη Titanium που χρησιμοποιούνται για την προσεκτική παρακολούθηση ή την καταπολέμηση πυρκαγιών θα επωφεληθούν επίσης από το ελαφρύ βάρος, τη δύναμη και την αντοχή στη θερμότητα του μετα -υλικού.
Επειδή το μετα -υλικό είναι επίσης βιοσυμβατό, θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ιατρικές συσκευές όπως εμφυτεύματα οστών. Ωστόσο, η τεχνολογία δεν είναι ακόμη ευρέως διαθέσιμη σε αυτό το στάδιο, οπότε η υιοθέτησή της από τη βιομηχανία μπορεί να πάρει κάποιο χρόνο. "Ο σημαντικότερος περιορισμός μας είναι η αποκλειστικότητα της τεχνολογίας μας και το κόστος κατασκευής θα μπορούσε να είναι μια άλλη σημαντική ανησυχία", δήλωσε ο Qian.
"Οι παραδοσιακές διαδικασίες παραγωγής δεν είναι πρακτικές για την κατασκευή αυτών των περίπλοκων μεταλλικών μετα -υλικών και δεν έχουν όλοι μια μηχανή σύντηξης με σκόνη λέιζερ στην αποθήκη τους", πρόσθεσε. "Ωστόσο, καθώς αναπτύσσεται η τεχνολογία, θα γίνει πιο προσιτή, επιτρέποντας σε ένα ευρύτερο κοινό να εφαρμόσει τα πολυκατοικιολογικά μας μετα-προϊόντα υψηλής αντοχής στα συστατικά τους".