A 3D nyomtatott titán szerkezet természetfeletti erőt mutat
Egy 3D-nyomtatott „metaanyag”, amely a természetben vagy a gyártásban általában nem látott szilárdsági szinttel büszkélkedhet, megváltoztathatja az orvosi implantátumoktól a repülőgép- vagy rakétaalkatrészekig mindent.
A tanulmány vezetője, Jordan Noronha tartja a titánrács kockát. A kép forrása: RMIT Egyetem
Az RMIT Egyetem kutatói közönséges titánötvözetből hozták létre az új metaanyagot – ezt a kifejezést a természetben nem megfigyelhető egyedi tulajdonságokkal rendelkező mesterséges anyag leírására használják.
Az Advanced Materials folyóiratban nemrégiben feltárt egyedi rácsszerkezetű anyag azonban nem általánossá teszi az anyagot: a tesztek szerint 50%-kal erősebb, mint a következő legerősebb, hasonló sűrűségű, repülőgépipari alkalmazásokban használt ötvözet.
A természet tervezésének javítása
Az üreges rudakból készült rácsos szerkezeteket eredetileg a természet ihlette: olyan erős üreges szárú növények, mint a Viktória tavirózsa vagy a szívós orgonacső korall (Tubipora musica) mutatták meg a könnyedség és az erő ötvözésének útját.
Azonban, amint az RMIT kiváló professzora, Ma Qian elmagyarázza, az üreges „sejtszerkezetek” fémekben való megismétlésére irányuló több évtizedes próbálkozás meghiúsította a gyárthatóság és a terhelési feszültség általános problémáit, amelyek az üreges támasztékok belső területeire koncentrálódnak, ami idő előtti meghibásodásokhoz vezetett.
"Ideális esetben az összes összetett sejtanyagban a feszültség egyenletesen oszlik el" - magyarázta Qian.
"A legtöbb topológia esetében azonban jellemző, hogy az anyag kevesebb mint fele főként a nyomóterhelést viseli, míg a nagyobb anyagmennyiség szerkezetileg jelentéktelen."
A fém 3D nyomtatás példátlan innovatív megoldásokat kínál ezekre a problémákra.
Az RMIT csapata a 3D nyomtatási tervezés korlátaira szorításával egy új típusú rácsszerkezetet optimalizált, hogy egyenletesebben ossza el a feszültséget, növelve annak szilárdságát vagy szerkezeti hatékonyságát.
"Olyan üreges csőszerű rácsszerkezetet terveztünk, amelynek belsejében egy vékony szalag fut. Ez a két elem együtt olyan erőt és könnyedséget mutat, amilyenre a természetben még soha nem volt példa" - mondta Qian.
"A feszültség egyenletes elosztása érdekében két egymást kiegészítő rácsszerkezet hatékony egyesítésével elkerüljük azokat a gyenge pontokat, ahol a feszültség általában koncentrálódik."
Lézeres erő
A csapat 3D-ben nyomtatta ki ezt a tervet az RMIT Advanced Manufacturing Precinct-jén egy lézerporágy-fúziós eljárással, ahol a fémpor rétegeit egy nagy teljesítményű lézersugár segítségével a helyükre olvasztják.
A tesztelés kimutatta, hogy a nyomtatott kivitel – egy titánrács kocka – 50%-kal erősebb, mint az öntött magnéziumötvözet, a WE54, amely a legerősebb, hasonló sűrűségű ötvözet, amelyet repülőgépipari alkalmazásokban használnak. Az új szerkezet gyakorlatilag felére csökkentette a rács hírhedt gyenge pontjaira koncentrálódó feszültség mértékét.
A kettős rácsos kialakítás azt is jelenti, hogy minden repedés elhajlik a szerkezet mentén, tovább növelve a szívósságot.
A tanulmány vezető szerzője és az RMIT PhD-jelöltje, Jordan Noronha elmondta, hogy ezt a szerkezetet több milliméteres vagy több méteres méretben is elkészíthetik különböző típusú nyomtatókkal.
Ez a nyomtathatóság, valamint az erősség, a biokompatibilitás, a korrózió és a hőállóság ígéretes jelöltté teszi számos alkalmazáshoz az orvosi eszközöktől, például a csontimplantátumoktól a repülőgépek vagy rakétaalkatrészekig.
"A jelenleg a nagy szilárdságot és könnyű súlyt igénylő kereskedelmi alkalmazásokban használt legerősebb öntött magnéziumötvözethez képest a hasonló sűrűségű titán metaanyagunk sokkal erősebb vagy kevésbé érzékeny a tartós alakváltozásra nyomóterhelés hatására, nem beszélve arról, hogy megvalósíthatóbb gyártás” – mondta Noronha.
A csapat azt tervezi, hogy tovább finomítja az anyagot a maximális hatékonyság érdekében, és feltárja a magasabb hőmérsékletű környezetben való alkalmazásokat.
Noha jelenleg akár 350 fokos hőmérsékletnek is ellenáll, úgy vélik, hogy hőállóbb titánötvözetek felhasználásával akár 600 fokos hőmérsékletet is elviselhetővé lehetne tenni, repülési vagy tűzoltó drónokhoz.
Mivel az új anyag előállításának technológiája még nem széles körben elérhető, az ipar általi átvétele eltarthat egy ideig.
"A hagyományos gyártási eljárások nem praktikusak ezeknek a bonyolult fém metaanyagoknak az előállításához, és nem mindenkinek van lézerporágyas fúziós gépe a raktárában" - mondta.
"A technológia fejlődésével azonban egyre hozzáférhetőbbé válik, és a nyomtatási folyamat sokkal gyorsabb lesz, így nagyobb közönség számára válik lehetővé, hogy nagy szilárdságú, több topológiájú metaanyagainkat alkatrészeikben valósíthassák meg. Fontos, hogy a fém 3D nyomtatás lehetővé teszi a háló alakzatok egyszerű elkészítését. valódi alkalmazásokhoz."
Az RMIT Advanced Manufacturing Precinct műszaki igazgatója, a kiváló professzor, Milan Brandt elmondta, hogy a csapat üdvözölte azokat a vállalatokat, amelyek együttműködni szeretnének a számos lehetséges alkalmazással.
"Megközelítésünk a kihívások azonosítása és lehetőségek megteremtése együttműködésen alapuló tervezés, tudáscsere, munkaalapú tanulás, kritikus problémamegoldás és a kutatás fordítása révén" - mondta.
