3D prentuð títan uppbygging sýnir yfirnáttúrulegan styrk

Þrívíddarprentað „metaefni“ sem státar af styrkleika fyrir þyngd sem venjulega sést ekki í náttúrunni eða framleiðslu gæti breytt því hvernig við gerum allt frá lækningaígræðslum til flugvéla eða eldflaugahluta.

Rannsóknarleiðtogi Jordan Noronha heldur á títan grindarteningnum. Myndinneign: RMIT háskólinn

Rannsakendur RMIT háskólans bjuggu til nýja metaefnið - hugtak sem notað er til að lýsa gerviefni með einstaka eiginleika sem ekki sést í náttúrunni - úr algengri títan ál.

En það er einstök grindarbyggingarhönnun efnisins, sem nýlega kom í ljós í tímaritinu Advanced Materials, sem gerir það allt annað en algengt: prófanir sýna að það er 50% sterkara en næststerkasta álfelgur með svipaðan þéttleika sem notuð er í geimferðum.

Að bæta hönnun náttúrunnar

Grindarvirki úr holum stöfum voru upphaflega innblásin af náttúrunni: sterkar holstönglar plöntur eins og Victoria vatnalilja eða harðgerður orgelpípukóral (Tubipora musica) sýndu okkur leiðina til að sameina léttleika og styrk.

Hins vegar, eins og Hinn virti prófessor Ma Qian hjá RMIT útskýrir, hefur áratuga tilraunir til að endurtaka þessar holu „frumubyggingar“ í málmum verið pirraðar vegna algengra vandamála um framleiðslugetu og álagsálag sem einbeitir sér að innri svæðum holu stífanna, sem leiðir til ótímabærra bilana.

„Helst ætti streitu í öllum flóknum frumuefnum að dreifast jafnt,“ útskýrði Qian.

"Hins vegar, fyrir flestar staðfræði, er það algengt að minna en helmingur efnisins beri aðallega þrýstiálagið, en stærra rúmmál efnisins er byggingarlega óverulegt."

Málmþrívíddarprentun veitir áður óþekktar nýstárlegar lausnir á þessum málum.

Með því að ýta þrívíddarprentunarhönnuninni að takmörkunum, fínstillti RMIT teymið nýja gerð grindarbyggingar til að dreifa álaginu jafnari og auka styrk þess eða skilvirkni burðarvirkisins.

"Við hönnuðum hola pípulaga grindarbyggingu sem hefur þunnt band sem rennur inni í henni. Þessir tveir þættir saman sýna styrk og léttleika sem aldrei áður hefur sést saman í náttúrunni," sagði Qian.

"Með því að sameina tvær hliðstæðar grindarbyggingar á áhrifaríkan hátt til að dreifa streitu jafnt, forðumst við veiku punkta þar sem streita einbeitir sér venjulega."

Styrkur með leysi

Þrívíddarteymið prentaði þessa hönnun á Advanced Manufacturing Precinct hjá RMIT með því að nota ferli sem kallast laser duft bed fusion, þar sem lög af málmdufti eru brædd á sinn stað með því að nota öflugan leysigeisla.

Prófanir sýndu að prentaða hönnunin - títan grindarteningur - var 50% sterkari en steypt magnesíum álfelgur WE54, sterkasta álfelgur með svipaðan þéttleika sem notuð er í geimferðum. Nýja uppbyggingin hafði í raun minnkað um helming álagsins sem einbeitti sér að hinum frægu veiku punktum grindarinnar.

Tvöföld grindarhönnunin þýðir einnig að allar sprungur beygjast meðfram uppbyggingunni, sem eykur enn frekar hörku.

Forstöðumaður rannsóknarinnar og RMIT doktorsnemi Jordan Noronha sagði að þeir gætu búið til þessa uppbyggingu á mælikvarða nokkurra millimetra eða nokkurra metra að stærð með því að nota mismunandi gerðir prentara.

Þessi prenthæfni, ásamt styrkleika, lífsamrýmanleika, tæringu og hitaþol, gerir það að vænlegum frambjóðanda í mörgum forritum, allt frá lækningatækjum eins og beinígræðslu til flugvéla eða eldflaugahluta.

„Í samanburði við sterkustu fáanlegu steyptu magnesíumblendi sem nú er notuð í viðskiptalegum tilgangi sem krefjast mikils styrks og létts, var sýnt fram á að títanmetaefnið okkar með sambærilegan þéttleika væri mun sterkara eða minna næmt fyrir varanlegum lögunarbreytingum við þjöppunarhleðslu, svo ekki sé minnst á raunhæfara að framleiðslu,“ sagði Noronha.

Teymið ætlar að betrumbæta efnið enn frekar fyrir hámarks skilvirkni og kanna notkun í umhverfi með hærri hita.

Þrátt fyrir að vera ónæmur fyrir hitastigi allt að 350 gráður, telja þeir að hægt sé að gera það til að standast hitastig allt að 600 gráður með því að nota hitaþolnari títan málmblöndur, fyrir notkun í geimferðum eða slökkviflugvélum.

Þar sem tæknin til að búa til þetta nýja efni er ekki almennt fáanleg, gæti upptaka þess af iðnaði tekið nokkurn tíma.

"Hefðbundin framleiðsluferli eru ekki hagnýt til að búa til þessa flóknu málmmetaefni og það eru ekki allir með laserduftbræðsluvél í vöruhúsi sínu," sagði hann.

"Hins vegar, eftir því sem tæknin þróast, verður hún aðgengilegri og prentunarferlið mun verða mun hraðara, sem gerir stærri hópi hóps kleift að innleiða hástyrkt fjölvökvametaefni okkar í íhluti þeirra. Mikilvægt er að þrívíddarprentun úr málmi gerir auðvelt að búa til netform. fyrir alvöru forrit."

Tæknistjóri RMIT's Advanced Manufacturing Precinct, Hinn virti prófessor Milan Brandt, sagði að teymið fagnaði fyrirtækjum sem vilja vinna saman að mörgum hugsanlegum forritum.

„Okkar nálgun er að bera kennsl á áskoranir og skapa tækifæri með samvinnuhönnun, þekkingarskiptum, vinnutengdu námi, mikilvægri úrlausn vandamála og þýðingu rannsókna,“ sagði hann.