3D natisnjena struktura iz titana kaže nadnaravno moč
3D-natisnjen 'metamaterial', ki se ponaša z ravnmi trdnosti glede na težo, ki jih običajno ne vidimo v naravi ali proizvodnji, bi lahko spremenil način izdelave vsega, od medicinskih vsadkov do delov letal ali raket.
Vodja študije Jordan Noronha drži kocko iz titanove mreže. Avtorstvo slike: Univerza RMIT
Raziskovalci univerze RMIT so ustvarili nov metamaterial – izraz, ki se uporablja za opis umetnega materiala z edinstvenimi lastnostmi, ki jih v naravi ne opazimo – iz običajne titanove zlitine.
Toda zaradi edinstvene zasnove mrežne strukture materiala, ki je bila nedavno razkrita v reviji Advanced Materials, je vse prej kot običajen: testi kažejo, da je 50 % močnejši od naslednje najmočnejše zlitine podobne gostote, ki se uporablja v vesoljskih aplikacijah.
Izboljšanje Nature's Design
Mrežaste strukture iz votlih opornikov je prvotno navdihnila narava: močne rastline z votlim steblom, kot sta lokvanj Viktorija ali trdoživa korala za orgle (Tubipora musica), so nam pokazale, kako združiti lahkotnost in moč.
Vendar, kot pojasnjuje ugledni profesor RMIT Ma Qian, so bila desetletja poskusov posnemanja teh votlih 'celičnih struktur' v kovinah razočarana zaradi pogostih težav glede izdelave in obremenitve, ki se osredotočajo na notranja področja votlih opornikov, kar vodi do prezgodnjih okvar.
"V idealnem primeru bi moral biti stres v vseh kompleksnih celičnih materialih enakomerno porazdeljen, " je pojasnil Qian.
"Vendar pa je za večino topologij običajno, da manj kot polovica materiala večinoma nosi tlačno obremenitev, medtem ko je večja količina materiala strukturno nepomembna."
Kovinsko 3D tiskanje ponuja inovativne rešitve brez primere za ta vprašanja.
S potiskanjem zasnove 3D-tiskanja do meja je skupina RMIT optimizirala novo vrsto mrežne strukture za bolj enakomerno porazdelitev napetosti, s čimer se je povečala njena trdnost ali strukturna učinkovitost.
"Zasnovali smo votlo cevasto rešetkasto strukturo, ki ima tanek trak, ki teče znotraj. Ta dva elementa skupaj kažeta moč in lahkotnost, ki ju v naravi še nikoli nismo videli skupaj," je dejal Qian.
"Z učinkovitim združevanjem dveh komplementarnih mrežnih struktur za enakomerno porazdelitev napetosti se izognemo šibkim točkam, kjer se napetost običajno koncentrira."
Moč na laserski pogon
Ekipa je 3D natisnila to zasnovo v RMIT's Advanced Manufacturing Precinct s postopkom, imenovanim fuzija z lasersko prašno posteljo, kjer se plasti kovinskega prahu stopijo na svoje mesto z uporabo visokozmogljivega laserskega žarka.
Testiranje je pokazalo, da je natisnjena zasnova – titanova mrežasta kocka – 50 % močnejša od lite magnezijeve zlitine WE54, najmočnejše zlitine podobne gostote, ki se uporablja v vesoljskih aplikacijah. Nova struktura je učinkovito prepolovila količino napetosti, koncentrirane na zloglasnih šibkih točkah mreže.
Zasnova z dvojno rešetko pomeni tudi, da se morebitne razpoke odklonijo vzdolž strukture, kar dodatno poveča žilavost.
Vodilni avtor študije in doktorski kandidat RMIT Jordan Noronha je dejal, da bi lahko naredili to strukturo v velikosti nekaj milimetrov ali nekaj metrov z uporabo različnih vrst tiskalnikov.
Zaradi te zmožnosti tiskanja, skupaj z močjo, biokompatibilnostjo, odpornostjo proti koroziji in toploti je obetaven kandidat za številne aplikacije, od medicinskih pripomočkov, kot so kostni vsadki, do delov letal ali raket.
"V primerjavi z najmočnejšo razpoložljivo lito magnezijevo zlitino, ki se trenutno uporablja v komercialnih aplikacijah, ki zahtevajo visoko trdnost in lahkotnost, se je izkazalo, da je naš metamaterial iz titana s primerljivo gostoto veliko močnejši ali manj dovzeten za trajno spremembo oblike pod tlačno obremenitvijo, da ne omenjam, da je bolj izvedljiv za proizvodnjo," je dejal Noronha.
Ekipa načrtuje nadaljnje izboljšanje materiala za največjo učinkovitost in raziskovanje aplikacij v okoljih z višjo temperaturo.
Medtem ko je trenutno odporen na temperature do 350 stopinj, verjamejo, da bi ga lahko naredili tako, da bi zdržal temperature do 600 stopinj z uporabo titanovih zlitin, ki so bolj odporne na vročino, za uporabo v letalstvu ali dronih za gašenje požarov.
Ker tehnologija za izdelavo tega novega materiala še ni široko dostopna, bo njeno sprejetje v industriji morda trajalo nekaj časa.
"Tradicionalni proizvodni procesi niso praktični za izdelavo teh zapletenih kovinskih metamaterialov in nima vsak v svojem skladišču stroja za lasersko prašno fuzijo," je dejal.
"Vendar pa bo z razvojem tehnologije postala bolj dostopna in postopek tiskanja bo postal veliko hitrejši, kar bo omogočilo večjemu občinstvu, da v svoje komponente implementira naše visoko trdne metamateriale z več topologijami. Pomembno je, da kovinsko 3D tiskanje omogoča enostavno izdelavo neto oblik za prave aplikacije."
Tehnični direktor RMIT's Advanced Manufacturing Precinct, ugledni profesor Milan Brandt, je dejal, da ekipa pozdravlja podjetja, ki želijo sodelovati pri številnih potencialnih aplikacijah.
"Naš pristop je prepoznavanje izzivov in ustvarjanje priložnosti s skupnim oblikovanjem, izmenjavo znanja, učenjem na delovnem mestu, kritičnim reševanjem problemov in prevodom raziskav," je dejal.
