3D drukātā titāna struktūra parāda pārdabisku spēku
3D drukāts “metamateriāls”, kas var lepoties ar tādu svara izturību, kāds parasti nav dabā vai ražošanā, var mainīt veidu, kā mēs izgatavojam visu, sākot no medicīniskiem implantiem un beidzot ar lidmašīnu vai raķešu daļām.
Pētījuma vadītājs Džordans Noronha tur titāna režģa kubu. Attēla kredīts: RMIT universitāte
RMIT universitātes pētnieki izveidoja jauno metamateriālu - terminu, ko izmanto, lai aprakstītu mākslīgo materiālu ar unikālām īpašībām, kas nav novērotas dabā - no parasta titāna sakausējuma.
Taču materiāla unikālais režģa struktūras dizains, kas nesen tika atklāts žurnālā Advanced Materials, padara to par kaut ko citu, izņemot ierastu: testi liecina, ka tas ir par 50% stiprāks nekā nākamais spēcīgākais līdzīga blīvuma sakausējums, ko izmanto kosmosa lietojumos.
Dabas dizaina uzlabošana
Režģu konstrukcijas, kas izgatavotas no dobiem statņiem, sākotnēji iedvesmoja daba: spēcīgi dobu stublāju augi, piemēram, Viktorijas ūdensroze vai izturīgais ērģeļu koraļļi (Tubipora musica), parādīja mums ceļu, kā apvienot vieglumu un spēku.
Tomēr, kā skaidro RMIT izcilais profesors Ma Cjaņs, gadu desmitiem ilgi mēģinājumi replicēt šīs dobās “šūnu struktūras” metālos ir bijuši neapmierināti ar ražojamību un slodzes spriegumu, kas koncentrējas uz dobo statņu iekšējām zonām, izraisot priekšlaicīgas atteices.
"Ideālā gadījumā spriegums visos sarežģītajos šūnu materiālos būtu vienmērīgi sadalīts," skaidroja Cjaņs.
"Tomēr lielākajai daļai topoloģiju parasti mazāk nekā puse materiāla galvenokārt iztur spiedes slodzi, savukārt lielāks materiāla apjoms ir strukturāli nenozīmīgs."
Metāla 3D druka nodrošina vēl nebijušus inovatīvus risinājumus šiem jautājumiem.
Nospiežot 3D drukāšanas dizainu līdz tā robežām, RMIT komanda optimizēja jauna veida režģa struktūru, lai vienmērīgāk sadalītu spriegumu, uzlabojot tā izturību vai struktūras efektivitāti.
"Mēs izstrādājām dobu cauruļveida režģa struktūru, kuras iekšpusē ir plāna josla. Šie divi elementi kopā parāda spēku un vieglumu, kas dabā vēl nekad nav redzēts," sacīja Cjaņs.
"Efektīvi apvienojot divas komplementāras režģa struktūras, lai vienmērīgi sadalītu stresu, mēs izvairāmies no vājajiem punktiem, kur stress parasti koncentrējas."
Ar lāzeru darbināms spēks
Komanda 3D izdrukāja šo dizainu RMIT Advanced Manufacturing Precinct, izmantojot procesu, ko sauc par lāzera pulvera slāņa saplūšanu, kur metāla pulvera slāņi tiek izkausēti vietā, izmantojot jaudīgu lāzera staru.
Testēšana parādīja, ka drukātais dizains – titāna režģa kubs – bija par 50% stiprāks nekā lietajam magnija sakausējumam WE54, kas ir spēcīgākais līdzīga blīvuma sakausējums, ko izmanto kosmosa lietojumos. Jaunā struktūra bija faktiski uz pusi samazinājusi spriedzi, kas koncentrēta uz režģa bēdīgi slavenajiem vājajiem punktiem.
Dubultā režģa dizains arī nozīmē, ka visas plaisas tiek novirzītas gar konstrukciju, vēl vairāk uzlabojot izturību.
Pētījuma vadošais autors un RMIT doktora grāda kandidāts Džordans Noronha teica, ka viņi varētu izgatavot šo struktūru vairāku milimetru vai vairāku metru mērogā, izmantojot dažāda veida printerus.
Šī drukājamība, kā arī izturība, biosaderība, korozija un karstumizturība padara to par daudzsološu kandidātu daudziem lietojumiem, sākot no medicīniskām ierīcēm, piemēram, kaulu implantiem līdz lidmašīnu vai raķešu daļām.
"Salīdzinot ar spēcīgāko pieejamo magnija sakausējumu, ko pašlaik izmanto komerciālos lietojumos, kam nepieciešama augsta izturība un viegls svars, mūsu titāna metamateriāls ar salīdzināmu blīvumu ir daudz izturīgāks vai mazāk jutīgs pret pastāvīgām formas izmaiņām spiedes slodzes ietekmē, nemaz nerunājot par to, ka tas ir vairāk iespējams ražošana," sacīja Noronha.
Komanda plāno turpināt uzlabot materiālu, lai nodrošinātu maksimālu efektivitāti, un izpētīt pielietojumus augstākas temperatūras vidēs.
Lai gan pašlaik tas ir izturīgs pret pat 350 grādu temperatūru, viņi uzskata, ka to var izturēt līdz pat 600 grādiem, izmantojot karstumizturīgākus titāna sakausējumus, ko izmanto kosmosa vai ugunsdzēsības droniem.
Tā kā šī jaunā materiāla izgatavošanas tehnoloģija vēl nav plaši pieejama, tās ieviešana nozarē var aizņemt kādu laiku.
"Tradicionālie ražošanas procesi nav praktiski šo sarežģīto metāla metamateriālu ražošanai, un ne visiem savā noliktavā ir lāzera pulvera slāņa kausēšanas iekārta," viņš teica.
"Tomēr, attīstoties tehnoloģijai, tā kļūs pieejamāka un drukas process kļūs daudz ātrāks, ļaujot lielākai auditorijai ieviest mūsu augstas stiprības multitopoloģijas metamateriālus to sastāvdaļās. Svarīgi, ka metāla 3D druka ļauj viegli izgatavot tīkla formu reāliem lietojumiem."
RMIT Advanced Manufacturing Precinct tehniskais direktors, cienījamais profesors Milans Brandts teica, ka komanda atzinīgi novērtēja uzņēmumus, kuri vēlas sadarboties daudzos potenciālajos lietojumos.
"Mūsu pieeja ir identificēt izaicinājumus un radīt iespējas, izmantojot sadarbības dizainu, zināšanu apmaiņu, mācīšanos darbā, kritisku problēmu risināšanu un pētījumu tulkošanu," viņš teica.