โครงสร้างไทเทเนียมที่พิมพ์แบบ 3 มิติแสดงความแข็งแกร่งเหนือธรรมชาติ

'วัสดุเมตา' ที่พิมพ์แบบ 3 มิติซึ่งมีระดับความแข็งแกร่งต่อน้ำหนักที่ไม่ปกติในธรรมชาติหรือการผลิตอาจเปลี่ยนแปลงวิธีที่เราสร้างทุกสิ่งตั้งแต่การปลูกถ่ายทางการแพทย์ไปจนถึงชิ้นส่วนเครื่องบินหรือจรวด

Jordan Noronha หัวหน้าทีมวิจัยถือลูกบาศก์ขัดแตะไทเทเนียม เครดิตรูปภาพ: มหาวิทยาลัย RMIT

นักวิจัยของมหาวิทยาลัย RMIT ได้สร้างวัสดุ metamaterial ใหม่ ซึ่งเป็นคำที่ใช้อธิบายวัสดุเทียมที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวซึ่งไม่พบในธรรมชาติ จากโลหะผสมไทเทเนียมทั่วไป

แต่การออกแบบโครงสร้างขัดแตะอันเป็นเอกลักษณ์ของวัสดุ ซึ่งเพิ่งเปิดเผยในวารสาร Advanced Materials เมื่อไม่นานมานี้ พบว่าทำให้วัสดุนี้ดูไม่ธรรมดา การทดสอบแสดงให้เห็นว่ามีความแข็งแกร่งกว่าโลหะผสมที่แข็งแกร่งที่สุดลำดับถัดไปที่มีความหนาแน่นใกล้เคียงกันถึง 50% ที่ใช้ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ

การปรับปรุงการออกแบบของธรรมชาติ

โครงสร้างขัดแตะที่ทำจากเสากลวงได้รับแรงบันดาลใจมาจากธรรมชาติ แต่เดิม: พืชที่มีก้านกลวงที่แข็งแรง เช่น ดอกบัว Victoria หรือปะการังท่อออร์แกนที่แข็งแรง (Tubipora musica) แสดงให้เราเห็นวิธีผสมผสานความเบาและความแข็งแกร่งเข้าด้วยกัน

อย่างไรก็ตาม ดังที่ศาสตราจารย์ Ma Qian ผู้ทรงคุณวุฒิของ RMIT อธิบายไว้ว่า การพยายามจำลอง 'โครงสร้างเซลล์' กลวงเหล่านี้ในโลหะมานานหลายทศวรรษได้รับความหงุดหงิดจากปัญหาทั่วไปด้านความสามารถในการผลิตและความเครียดในการรับน้ำหนักที่มุ่งไปที่พื้นที่ด้านในของเสากลวง ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนวัยอันควร

"ตามหลักการแล้ว ความเครียดในวัสดุเซลล์ที่ซับซ้อนทั้งหมดควรจะกระจายเท่าๆ กัน" Qian อธิบาย

"อย่างไรก็ตาม สำหรับโทโพโลยีส่วนใหญ่ เป็นเรื่องปกติที่วัสดุน้อยกว่าครึ่งหนึ่งจะรับภาระแรงอัดเป็นหลัก ในขณะที่ปริมาณวัสดุที่มากขึ้นนั้นไม่มีนัยสำคัญเชิงโครงสร้าง"

การพิมพ์ Metal 3D มอบโซลูชั่นนวัตกรรมที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับปัญหาเหล่านี้

ด้วยการผลักดันการออกแบบการพิมพ์ 3 มิติให้ถึงขีดจำกัด ทีมงาน RMIT ได้ปรับโครงสร้างโครงตาข่ายรูปแบบใหม่ให้เหมาะสมเพื่อกระจายแรงเค้นให้เท่ากันมากขึ้น เพิ่มความแข็งแกร่งหรือประสิทธิภาพของโครงสร้าง

"เราได้ออกแบบโครงสร้างขัดแตะแบบท่อกลวงซึ่งมีแถบบางๆ อยู่ข้างใน องค์ประกอบทั้งสองนี้รวมกันแสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งและความเบาที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อนในธรรมชาติ" Qian กล่าว

"ด้วยการผสมผสานโครงสร้างขัดแตะเสริมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันเพื่อกระจายความเครียดอย่างสม่ำเสมอ เราจะหลีกเลี่ยงจุดอ่อนที่ความเครียดมักเข้มข้น"

ความแรงที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์

ทีมงาน 3D พิมพ์การออกแบบนี้ที่ Advanced Manufacturing Precinct ของ RMIT โดยใช้กระบวนการที่เรียกว่า Laser Powder Bed Fusion โดยที่ชั้นของผงโลหะจะถูกละลายเข้าที่โดยใช้ลำแสงเลเซอร์กำลังสูง

การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการออกแบบสิ่งพิมพ์ – ลูกบาศก์ขัดแตะไทเทเนียม – มีความแข็งแกร่งกว่าโลหะผสมแมกนีเซียมหล่อ WE54 ถึง 50% ซึ่งเป็นโลหะผสมที่แข็งแกร่งที่สุดที่มีความหนาแน่นใกล้เคียงกันซึ่งใช้ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ โครงสร้างใหม่ช่วยลดปริมาณความเครียดที่มุ่งไปที่จุดอ่อนที่น่าอับอายของโครงตาข่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบตาข่ายสองชั้นยังหมายถึงรอยแตกร้าวใดๆ ที่ถูกเบี่ยงเบนไปตามแนวโครงสร้าง ช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งอีกด้วย

Jordan Noronha ผู้เขียนนำการศึกษาและผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ RMIT กล่าวว่าพวกเขาสามารถสร้างโครงสร้างนี้ในขนาดหลายมิลลิเมตรหรือหลายเมตรโดยใช้เครื่องพิมพ์ประเภทต่างๆ

ความสามารถในการพิมพ์นี้ ควบคู่ไปกับความแข็งแรง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ การกัดกร่อน และความต้านทานความร้อน ทำให้ผลิตภัณฑ์นี้เป็นตัวเลือกที่น่าหวังสำหรับการใช้งานหลายอย่างตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น การปลูกถ่ายกระดูกไปจนถึงชิ้นส่วนเครื่องบินหรือจรวด

"เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมแมกนีเซียมหล่อที่แข็งแกร่งที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบันซึ่งใช้ในการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่ต้องการความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา วัสดุไทเทเนียมของเราที่มีความหนาแน่นใกล้เคียงกันนั้นแสดงให้เห็นว่ามีความแข็งแกร่งกว่ามากหรือไวต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างถาวรน้อยกว่าภายใต้แรงอัด ไม่ต้องพูดถึงความเป็นไปได้มากกว่า ผลิต” โนรอนฮากล่าว

ทีมงานวางแผนที่จะปรับแต่งวัสดุเพิ่มเติมเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด และสำรวจการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น

แม้ว่าในปัจจุบันจะทนทานต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 350 องศา แต่พวกเขาเชื่อว่าสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 600 องศาโดยใช้โลหะผสมไทเทเนียมที่ทนความร้อนมากกว่า สำหรับการใช้งานในการบินและอวกาศหรือโดรนดับเพลิง

เนื่องจากเทคโนโลยีในการผลิตวัสดุใหม่นี้ยังไม่แพร่หลาย การนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาจต้องใช้เวลาระยะหนึ่ง

“กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมไม่สามารถนำมาใช้ได้จริงสำหรับการผลิตวัสดุโลหะที่สลับซับซ้อนเหล่านี้ และไม่ใช่ทุกคนจะมีเครื่องฟิวชันผงเลเซอร์ในคลังสินค้าของพวกเขา” เขากล่าว

"อย่างไรก็ตาม ขณะที่เทคโนโลยีพัฒนาไป มันก็จะเข้าถึงได้มากขึ้น และกระบวนการพิมพ์ก็จะเร็วขึ้นมาก ทำให้ผู้ชมจำนวนมากขึ้นสามารถใช้ metamaterials แบบหลายโทโพโลยีที่มีความแข็งแรงสูงของเราในส่วนประกอบของพวกเขา ที่สำคัญ การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะช่วยให้สร้างรูปทรงตาข่ายได้ง่าย เพื่อการใช้งานจริง"

ผู้อำนวยการด้านเทคนิคของ Advanced Manufacturing Precinct ของ RMIT ศาสตราจารย์พิเศษ Milan Brandt กล่าวว่าทีมงานยินดีกับบริษัทต่างๆ ที่ต้องการร่วมมือกันในการใช้งานที่มีศักยภาพมากมาย

“แนวทางของเราคือการระบุความท้าทายและสร้างโอกาสผ่านการออกแบบการทำงานร่วมกัน การแลกเปลี่ยนความรู้ การเรียนรู้จากการทำงาน การแก้ปัญหาที่สำคัญ และการแปลงานวิจัย” เขากล่าว