يُظهر هيكل التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد قوة خارقة للطبيعة

يمكن لـ "مادة خارقة" مطبوعة ثلاثية الأبعاد تتميز بمستويات من القوة للوزن لا تُرى عادة في الطبيعة أو التصنيع أن تغير الطريقة التي نصنع بها كل شيء بدءًا من الغرسات الطبية إلى أجزاء الطائرات أو الصواريخ.

قائد الدراسة جوردان نورونها يحمل مكعبًا شبكيًا من التيتانيوم. حقوق الصورة: جامعة RMIT

ابتكر باحثون من جامعة RMIT المادة الخارقة الجديدة – وهو مصطلح يستخدم لوصف مادة اصطناعية ذات خصائص فريدة غير ملحوظة في الطبيعة – من سبائك التيتانيوم الشائعة.

ولكن تصميم الهيكل الشبكي الفريد للمادة، والذي تم الكشف عنه مؤخرًا في مجلة المواد المتقدمة، هو ما يجعلها غير شائعة: فقد أظهرت الاختبارات أنها أقوى بنسبة 50٪ من أقوى سبيكة تالية ذات كثافة مماثلة تستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي.

تحسين تصميم الطبيعة

كانت الهياكل الشبكية المصنوعة من الدعامات المجوفة مستوحاة في الأصل من الطبيعة: أظهرت لنا النباتات القوية ذات السيقان المجوفة مثل زنبق الماء الفيكتوري أو المرجان الأنبوبي القوي (Tubipora musica) طريقة الجمع بين الخفة والقوة.

ومع ذلك، كما يوضح الأستاذ المتميز في RMIT، ما تشيان، فإن عقودًا من محاولة تكرار هذه "الهياكل الخلوية" المجوفة في المعادن قد تم إحباطها بسبب المشكلات الشائعة المتمثلة في قابلية التصنيع وإجهاد الحمل الذي يركز على المناطق الداخلية للدعامات المجوفة، مما يؤدي إلى فشل مبكر.

وأوضح تشيان: "من الناحية المثالية، يجب أن يتم توزيع الضغط في جميع المواد الخلوية المعقدة بالتساوي".

"ومع ذلك، بالنسبة لمعظم الطوبولوجيات، من الشائع أن يتحمل أقل من نصف المادة حمل الضغط بشكل أساسي، في حين أن الحجم الأكبر من المادة غير مهم من الناحية الهيكلية."

توفر الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد حلولاً مبتكرة غير مسبوقة لهذه المشكلات.

من خلال دفع تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى أقصى حدوده، قام فريق RMIT بتحسين نوع جديد من البنية الشبكية لتوزيع الضغط بشكل أكثر توازناً، مما يعزز قوتها أو كفاءتها الهيكلية.

وقال تشيان: "لقد صممنا هيكلًا شبكيًا أنبوبيًا مجوفًا يحتوي على شريط رفيع يمتد بداخله. ويظهر هذان العنصران معًا القوة والخفة التي لم يسبق لها مثيل في الطبيعة".

"من خلال الدمج الفعال بين بنيتين شبكيتين متكاملتين لتوزيع الضغط بالتساوي، فإننا نتجنب نقاط الضعف حيث يتركز الإجهاد عادة."

قوة تعمل بالليزر

قام الفريق بطباعة هذا التصميم ثلاثي الأبعاد في منطقة التصنيع المتقدمة في RMIT باستخدام عملية تسمى دمج طبقة مسحوق الليزر، حيث يتم إذابة طبقات من مسحوق المعدن في مكانها باستخدام شعاع ليزر عالي الطاقة.

وأظهر الاختبار أن التصميم المطبوع - وهو مكعب شبكي من التيتانيوم - كان أقوى بنسبة 50% من سبيكة المغنيسيوم المصبوبة WE54، وهي أقوى سبيكة ذات كثافة مماثلة تستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي. لقد نجح الهيكل الجديد في خفض كمية الضغط المتركز على نقاط الضعف سيئة السمعة في الشبكة إلى النصف.

ويعني التصميم الشبكي المزدوج أيضًا أن أي شقوق تنحرف على طول الهيكل، مما يزيد من المتانة.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة ومرشح الدكتوراه في RMIT، جوردان نورونها، إنهم يستطيعون صنع هذا الهيكل على نطاق عدة ملليمترات أو عدة أمتار باستخدام أنواع مختلفة من الطابعات.

إن قابلية الطباعة هذه، إلى جانب القوة والتوافق الحيوي والتآكل ومقاومة الحرارة، تجعلها مرشحًا واعدًا للعديد من التطبيقات بدءًا من الأجهزة الطبية مثل زراعة العظام إلى أجزاء الطائرات أو الصواريخ.

"بالمقارنة مع أقوى سبائك المغنيسيوم المصبوبة المتاحة حاليًا والمستخدمة حاليًا في التطبيقات التجارية التي تتطلب قوة عالية وخفيفة الوزن، فقد تبين أن مادة التيتانيوم ذات الكثافة المماثلة أقوى بكثير أو أقل عرضة للتغيير الدائم في الشكل تحت التحميل المضغوط، ناهيك عن أنها أكثر جدوى وقال نورونها "التصنيع".

ويخطط الفريق لتحسين المادة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة واستكشاف التطبيقات في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.

على الرغم من أنه مقاوم حاليًا لدرجات حرارة تصل إلى 350 درجة، إلا أنهم يعتقدون أنه يمكن تصنيعه لتحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة باستخدام سبائك التيتانيوم الأكثر مقاومة للحرارة، لتطبيقات في الفضاء الجوي أو طائرات بدون طيار لمكافحة الحرائق.

وبما أن التكنولوجيا اللازمة لصنع هذه المادة الجديدة ليست متاحة على نطاق واسع بعد، فإن اعتمادها من قبل الصناعة قد يستغرق بعض الوقت.

وقال: "إن عمليات التصنيع التقليدية ليست عملية لتصنيع هذه المواد المعدنية المعقدة، وليس لدى الجميع آلة دمج مسحوق الليزر في مستودعاتهم".

"ومع ذلك، مع تطور التكنولوجيا، سيصبح الوصول إليها أكثر سهولة وستصبح عملية الطباعة أسرع بكثير، مما يمكّن جمهورًا أكبر من تنفيذ موادنا عالية القوة ومتعددة الطوبولوجيا في مكوناتها. والأهم من ذلك، أن الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد تسمح بتصنيع الشكل الصافي بسهولة للتطبيقات الحقيقية."

وقال المدير الفني لمنطقة التصنيع المتقدمة في RMIT، الأستاذ المتميز ميلان براندت، إن الفريق رحب بالشركات الراغبة في التعاون في العديد من التطبيقات المحتملة.

وقال: "نهجنا هو تحديد التحديات وخلق الفرص من خلال التصميم التعاوني، وتبادل المعرفة، والتعلم القائم على العمل، وحل المشكلات الحرجة، وترجمة الأبحاث".