Titanyum bazlı metamalzeme, doğanın ötesinde gücün kilidini açar.

Eşsiz güç ve çok yönlülüğe sahip çığır açan bir titanyum metamalzeme, üretim ve yüksek hızlı havacılıkta devrim yaratabilir.

Daha güçlü tıbbi cihazlara ve yenilikçi araç ve uzay aracı tasarımlarına yol açabilecek hafif, yüksek mukavemetli bir titanyum malzeme tasarlanmıştır. Araştırma ekibi, doğada gözlemlenmeyen benzersiz özelliklere sahip bir yapay materyali tanımlamak için kullanılan bir terim olan "metamalzeme" inşa etmek için ortak bir titanyum alaşımı, ti -6 al -4 v kullandı. Yunancada "ötesinde.

Victoria su zambak gibi doğada bu kadar karmaşık ve şaşırtıcı derecede güçlü yapılar var. Güney Amerika'ya özgü olan bu dev yüzen yaprak, damarlarının eşsiz kafes yapısı nedeniyle bir yetişkini destekleyecek kadar güçlüdür.

İnsan yapımı malzemelerin yapıları, bu bitkileri ve mercan gibi diğer doğal gözenekli malzemeleri taklit etmek için tasarlanabilir, basit küplerden karmaşık dodekahedronlara kadar farklı kafeslerle. Bu kafes yapılarındaki gözenekler, kanallar oluşturarak birbirine bağlanır. "Hücresel" malzemeler olarak bilinen bu kafes malzemeleri, RMIT araştırmacılarına göre, uygun şekilde tasarlanmadığı takdirde genellikle bir kuvvet ödünleşmesi ile birlikte gelir.

Doktora Jordan Noronha, "Ancak, metal 3D baskı, araştırmacıların son derece yenilikçi ışık ve güçlü hücresel metaller tasarlamasına ve üretmesine izin veren bir oyun değiştiricidir." Dedi. RMIT'de proje üzerinde çalışan aday.

Hücresel malzemelerde, kafesler üç boyutta ince, katı çubuklar veya dikiş adı verilen kirişlerle bağlanır. Bunun yerine içi boş destekleri kullanarak, araştırmacılar düşük yoğunluklu bir hücresel malzeme, yüksek mukavemetli magnezyum alaşımlarına benzer bir yoğunluğa sahip katı metalik alaşım kadar güçlü yapmayı amaçladılar.

Metamalzamanın yazdırılması

RMIT'in Katkı Üretim Merkezi'nde profesör olan Ma Qian liderliğindeki araştırma ekibi, titanyum metamalzemeleri üretmek için "Lazer Toz Yatağı Füzyonu" adlı 3D baskı işlemi kullandı. Yüksek güçlü bir lazer ışını kullanarak bir malzeme tabakası oluşturan bu teknik, bir milimetreden daha azına kadar yaklaşık iki metreden büyüklüğe kadar karmaşık imalat parçaları hazırlamak için yaygın olarak kullanılır.

Qian ekibinin yaklaşımını açıkladı. "İlk olarak, tüm kafes metamalzeme numunesi dijital bir model olarak tasarlanmıştır. Daha sonra, bu model bir yazılım aracı kullanılarak dijital olarak birçok ince katmana dilimlenmiştir."

"Bu katman bazlı imalat işlemi, metal tozlarının lazer erimesini, sıvı metalin hızlı katılaşmasını (eritilmiş metal tozları) ve katılaşmış metalin tekrarlanan ısıtma ve soğutma işlemlerini içerir."

Qian, tüm sürecin şu anda yaklaşık 18 saat sürdüğünü, ancak optimizasyon yoluyla, o ve ekibinin gelecekte zaman çerçevesini kısaltmayı planladığını söylüyor.

Malzemeyi bu kadar güçlü yapan nedir?

İçi boş dikenler ve ince plakalar, metamalzamanın yüksek mukavemetinden sorumlu iki topolojidir. Stresin yoğunlaştığı zayıf noktalar içeren çoğu hücresel malzemenin aksine, bu iki tamamlayıcı kafes, destek sağlarken stresi eşit olarak dağıtır.

Qian, "İdeal olarak, tüm hücresel malzemelerdeki stres eşit olarak yayılmalıdır." "Bununla birlikte, çoğu topoloji için, malzemenin yarısından daha azının esas olarak basınç yükünü taşıması yaygındır, daha büyük miktarda malzeme yapısal olarak önemsizdir."

"Bu çoklu topoloji tasarımı, tokluğu artırmak için çatlak yollarının sapmasını da teşvik ediyor." "Çoğu hücresel malzemede meydana gelen kafesten doğrudan meydana gelen çatlaklar yerine, ince plakalı içi boş çizme kafes topolojimizde, dikenler ve plakalar çatlakları daha uzun bir yol boyunca yönlendirmek için birlikte çalışır."

Magnezyum alaşımları şu anda yüksek mukavemet ve hafif gerektiren ticari uygulamalarda kullanılmaktadır. Mevcut en güçlü dökme magnezyum alaşımı (WE54) ile karşılaştırıldığında, karşılaştırılabilir yoğunluğa sahip titanyum metamalzemenin bir örneği çok daha güçlüdür. Magnezyum alaşımları, tozun buharlaşması nedeniyle lazer toz yatak füzyonu veya 3D baskıya da uygun değildir ve titanyum alaşımına bir üretim avantajı sağlar.

Sonraki adımlar ve potansiyel uygulamalar

Malzeme ticarileştirilmeden önce, Qian ve ekibi ilk olarak malzemenin maksimum verimliliğinde performans göstermesini sağlamak istiyor.

Bunu yapmak için, titanyum metamalzemelerini daha da güçlendirmek ve hafifletmek için mevcut tasarımlarını geliştirmeyi planlıyorlar. Örneğin, sayısal simülasyonlara dayanarak, tüm yapı boyunca daha muntazam bir stres dağılımına izin vermek için ince plakaların içi boş dikişlere oranını ayarlayacaklardır.

Araştırmacılara göre, eğer metamalzeme yüksek sıcaklıklı bir titanyum alaşımından üretilirse, 600 dereceye kadar sıcaklıklarda kullanılabilir. Bu özellik, korozyon direnci ile birlikte, malzemeyi yüksek hızlı uçan uçaklarda veya füzelerde kullanıma uygun hale getirir, bu da yüksek hızları tarafından üretilen yoğun ısıya dayanabilmelidir. Yangınları yakından izlemek veya savaşmak için kullanılan titanyum dronları, metamalzemenin hafif, mukavemetinden ve ısı direncinden de yararlanacaktır.

Metamalzeme de biyouyumlu olduğundan, kemik implantları gibi tıbbi cihazlarda da kullanılabilir. Bununla birlikte, teknoloji bu aşamada henüz yaygın olarak mevcut değildir, bu nedenle endüstri tarafından benimsenmesi biraz zaman alabilir. Qian, "En önemli sınırlamamız teknolojimizin münhasırlığıdır ve imalat maliyeti bir başka önemli endişe olabilir."

"Geleneksel üretim süreçleri bu karmaşık metal metamalzemelerin üretimi için pratik değildir ve herkesin depolarında lazer tozu yatağı füzyon makinesi yoktur." "Bununla birlikte, teknoloji geliştikçe, daha büyük bir kitlenin bileşenlerinde yüksek mukavemetli çoklu topoloji metamalzemelerimizi uygulamasını sağlayarak daha erişilebilir hale gelecektir."