معجزه تیتانیوم در ساخت خودرو و ساخت و ساز

غزل زیاریبا استفاده از پرینترهای سه بعدی فلزی پیشرفته، دانشمندان می توانند ساختارهای مشبکی الهام گرفته از طبیعت بسازند که قادر به توزیع بار در پایه های داخلی هستند.

با استفاده از این روش، آنها یک مکعب شبکه از یک فراماده جدید ایجاد کردند که 50 درصد قوی تر از آلیاژهای هوافضا با چگالی مشابه است. این یک پیشرفت قابل توجه است. ولی این فراماده به یک فرآیند ساخت پیشرفته نیاز دارد، به این معنی که ما به این زودی از آن در هواپیما یا سایر صنایع استفاده نخواهیم کرد.

با الهام از طبیعت

طبیعت بزرگترین معلم مهندسان است. مردم سوزن های جراحی را با الهام از پشه ها ساختند. آنها با استفاده از ایده کرم شب تاب و حتی فناوری ساخت هلیکوپتر از مشاهده پرندگان مگس خوار، لامپ های LED طراحی کردند. مهندسان تصمیم گرفتند تا با شبیه سازی ساختارهای شبکه ای در پایه های توخالی نیلوفرهای آبی ویکتوریایی و رزین های لوله ای، برخی از سخت ترین مواد هوافضا را ایجاد کنند.

البته بازسازی این سازه های طبیعی یک مشکل فنی عمده است. به دلیل تولید محدود، این سازه های مشبک به سختی می توانند باری را تحمل کنند. خوشبختانه، عصر چاپ سه بعدی اکنون سطحی از پیچیدگی را به ارمغان آورده است که به مهندسان اجازه می دهد تا از اسرار سبک وزن و در عین حال بادوام طبیعت استفاده کنند.

یک متاماده با وزن یکسان اما قوی تر از آلیاژ منیزیم

در مقاله‌ای که اخیراً در ژورنال Advanced Materials منتشر شده است، دانشمندان دانشگاه فناوری رویال ملبورن استرالیا (RMIT) از فناوری چاپ سه‌بعدی برای توسعه ماده‌ای استفاده کرده‌اند که 50 درصد قوی‌تر از آلیاژ ریخته‌گری منیزیم WE54 در صنعت هوافضا است. استفاده می شود و همان تراکم آن است.

با انجام این کار، اعضای تیم بر یک مشکل رایج با “ساختارهای سلولی” توخالی غلبه کردند، جایی که استرس در مناطق خاصی از فونداسیون متمرکز شده و منجر به شکست زودرس می شود. به این دلیل دانشمندان موفق به طراحی یک شبکه چند توپولوژیکی شدند که تنش بار را به طور یکنواخت توزیع می کند به طوری که هنگام تحمل وزن بار هیچ “نقطه داغ” ایجاد نمی شود و ترک ها در طول سازه منحرف می شوند.

ما کیان، استاد دانشگاه RMIT و یکی یکی از نویسندگان مطالعه گفت: «در اکثر توپولوژی‌ها، معمولاً کمتر از نیمی از مواد بیشترین بار فشاری را تحمل می‌کنند. این در حالی است که بیشتر مواد از نظر ساختار ناچیز هستند. ما یک ساختار شبکه ای لوله ای توخالی با یک نوار نازک در داخل طراحی کردیم. این دو عنصر در کنار هم قدرت و سبکی را نشان می دهند که قبلاً در طبیعت با هم دیده نشده بودند. با ادغام مؤثر دو ساختار شبکه مکمل برای توزیع یکنواخت استرس، از نقاط ضعفی که معمولاً استرس در آن متمرکز است جلوگیری می کنیم.

ایجاد این شبکه بسیار بادوام و چند توپولوژیکی به لطف چاپگر همجوشی زیرلایه لیزری پودری (L-PBF) احتمالاً به طور قابل توجهی پیچیده تر از یک چاپگر سه بعدی رومیزی معمولی است. همانطور که از نام این چاپگر پیداست، این دستگاه از پودر فلزی استفاده می کند که با استفاده از پرتوهای لیزر قدرتمند در جای خود ذوب می شود. طبق یک مطالعه جداگانه در سال 2023، این چاپگر محدودیت‌های طراحی کمی در هندسه قطعات دارد و به آن اجازه می‌دهد قطعات پیچیده‌ای را تولید کند که بسیار قابل تنظیم هستند.

این آزادی باورنکردنی در ساخت به محققان این امکان را داد که نه تنها مکعب های شبکه ای فوق العاده قوی ایجاد کنند، بلکه آنها را در اندازه های مختلف از چند میلی متر تا چند متر نیز تولید کنند.. این امر کاربردهای بالقوه آنها را در صنایع مختلف به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. علاوه بر این، این ماده در برابر خوردگی و حرارت مقاوم است و می تواند تا دمای 350 درجه سانتیگراد را تحمل کند (البته دانشمندان مطمئن هستند که حتی رسیدن به آستانه 600 درجه سانتیگراد نیز امکان پذیر خواهد بود).

البته کشف این فراماده بسیار قوی تنها گام اول کار است و چالش بعدی تولید در مقیاس وسیع چنین شی پیچیده ای خواهد بود. این در درجه اول به این دلیل است که به گفته محققان، همه به دستگاه همجوشی بستر لیزر پودری دسترسی ندارند.

اما پس از در دسترس قرار گرفتن این دستگاه، شگفتی های طبیعت دوباره در دسترس ما قرار می گیرد.

منبع: مکانیک محبوب

۵۸۵۸