Struktur Titanium Bercetak 3D Menunjukkan Kekuatan Ghaib
'Metamaterial' cetakan 3D yang mempunyai tahap kekuatan untuk berat yang biasanya tidak dilihat secara semula jadi atau pembuatan boleh mengubah cara kami membuat segala-galanya daripada implan perubatan kepada pesawat atau bahagian roket.
Ketua kajian Jordan Noronha memegang kiub kekisi titanium. Kredit Gambar: Universiti RMIT
Penyelidik Universiti RMIT mencipta metamaterial baharu - istilah yang digunakan untuk menggambarkan bahan tiruan dengan sifat unik yang tidak diperhatikan dalam alam semula jadi - daripada aloi titanium biasa.
Tetapi reka bentuk struktur kekisi unik bahan itu, baru-baru ini didedahkan dalam jurnal Advanced Materials, yang menjadikannya sesuatu yang biasa: ujian menunjukkan ia 50% lebih kuat daripada aloi terkuat seterusnya dengan ketumpatan serupa yang digunakan dalam aplikasi aeroangkasa.
Memperbaiki Reka Bentuk Alam Semula Jadi
Struktur kekisi yang diperbuat daripada tupang berongga pada asalnya diilhamkan oleh alam semula jadi: tumbuhan bertangkai berongga yang kuat seperti teratai air Victoria atau karang paip organ yang tahan lasak (Tubipora musica) menunjukkan kepada kita cara untuk menggabungkan ringan dan kekuatan.
Walau bagaimanapun, seperti yang dijelaskan oleh Profesor Terhormat RMIT, Ma Qian, beberapa dekad percubaan untuk meniru 'struktur selular' berongga ini dalam logam telah dikecewakan oleh isu biasa kebolehkilangan dan tekanan beban yang menumpukan pada bahagian dalam tupang berongga, yang membawa kepada kegagalan pramatang.
"Sebaik-baiknya, tekanan dalam semua bahan selular yang kompleks harus disebarkan secara sama rata," jelas Qian.
"Walau bagaimanapun, bagi kebanyakan topologi, adalah perkara biasa untuk kurang daripada separuh bahan menanggung beban mampatan, manakala isipadu bahan yang lebih besar adalah tidak penting dari segi struktur."
Percetakan 3D logam menyediakan penyelesaian inovatif yang belum pernah berlaku sebelum ini untuk isu ini.
Dengan menolak reka bentuk cetakan 3D ke hadnya, pasukan RMIT mengoptimumkan jenis struktur kekisi baharu untuk mengagihkan tegasan dengan lebih sekata, meningkatkan kekuatan atau kecekapan strukturnya.
"Kami mereka bentuk struktur kekisi tiub berongga yang mempunyai jalur nipis di dalamnya. Kedua-dua elemen ini bersama-sama menunjukkan kekuatan dan ringan yang tidak pernah dilihat bersama dalam alam semula jadi," kata Qian.
"Dengan menggabungkan dua struktur kekisi pelengkap secara berkesan untuk mengagihkan tekanan secara sama rata, kami mengelakkan titik lemah di mana tekanan biasanya tertumpu."
Kekuatan Dikuasakan Laser
Pasukan 3D mencetak reka bentuk ini di Presint Pembuatan Termaju RMIT menggunakan proses yang dipanggil gabungan katil serbuk laser, di mana lapisan serbuk logam dileburkan ke tempatnya menggunakan pancaran laser berkuasa tinggi.
Ujian menunjukkan reka bentuk bercetak - kiub kekisi titanium - adalah 50% lebih kuat daripada aloi magnesium tuang WE54, aloi terkuat dengan ketumpatan serupa yang digunakan dalam aplikasi aeroangkasa. Struktur baru telah mengurangkan separuh jumlah tekanan yang tertumpu pada titik lemah kekisi yang terkenal.
Reka bentuk kekisi berkembar juga bermakna sebarang retakan terpesong di sepanjang struktur, meningkatkan lagi keliatan.
Pengarang utama kajian dan calon PhD RMIT Jordan Noronha berkata mereka boleh membuat struktur ini pada skala beberapa milimeter atau beberapa meter dalam saiz menggunakan pelbagai jenis pencetak.
Kebolehcetakan ini, bersama-sama dengan kekuatan, biokompatibiliti, kakisan dan rintangan haba menjadikannya calon yang menjanjikan untuk banyak aplikasi daripada peranti perubatan seperti implan tulang kepada pesawat atau bahagian roket.
"Berbanding dengan aloi magnesium tuang terkuat yang tersedia pada masa ini dalam aplikasi komersil yang memerlukan kekuatan tinggi dan ringan, metamaterial titanium kami dengan ketumpatan yang setanding ditunjukkan sebagai lebih kuat atau kurang terdedah kepada perubahan bentuk kekal di bawah beban mampatan, apatah lagi lebih sesuai untuk pembuatan," kata Noronha.
Pasukan itu merancang untuk memperhalusi lagi bahan untuk kecekapan maksimum dan meneroka aplikasi dalam persekitaran suhu lebih tinggi.
Walaupun pada masa ini tahan kepada suhu setinggi 350 darjah , mereka percaya ia boleh dibuat untuk menahan suhu sehingga 600 darjah menggunakan lebih banyak aloi titanium tahan haba, untuk aplikasi dalam aeroangkasa atau dron pemadam kebakaran.
Memandangkan teknologi untuk membuat bahan baharu ini belum tersedia secara meluas, penggunaannya oleh industri mungkin mengambil sedikit masa.
"Proses pembuatan tradisional tidak praktikal untuk fabrikasi bahan metamaterial logam yang rumit ini, dan tidak semua orang mempunyai mesin gabungan katil serbuk laser di gudang mereka," katanya.
"Bagaimanapun, apabila teknologi berkembang, ia akan menjadi lebih mudah diakses dan proses pencetakan akan menjadi lebih pantas, membolehkan khalayak yang lebih besar untuk melaksanakan bahan metamaterial pelbagai topologi berkekuatan tinggi kami dalam komponennya. Yang penting, percetakan 3D logam membolehkan fabrikasi bentuk bersih yang mudah untuk aplikasi sebenar."
Pengarah Teknikal Presint Pembuatan Termaju RMIT, Profesor Terhormat Milan Brandt, berkata pasukan itu mengalu-alukan syarikat yang ingin bekerjasama dalam banyak aplikasi yang berpotensi.
"Pendekatan kami adalah untuk mengenal pasti cabaran dan mencipta peluang melalui reka bentuk kolaboratif, pertukaran pengetahuan, pembelajaran berasaskan kerja, penyelesaian masalah kritikal dan terjemahan penyelidikan," katanya.