القائم على التيتانيوم القائم على القوة الفتحة القوة وراء الطبيعة.

يمكن أن تحدث ثورة في التصنيع والطيران عالي السرعة والطيران عالي السرعة من التيتانيوم الرائد مع قوة التيتانيوم الرائدة مع قوة وبراعة لا مثيل لها.

تم تصميم مواد التيتانيوم خفيفة الوزن وعالية القوة يمكن أن تؤدي إلى أجهزة طبية أقوى وتصميمات مركبة ومركبة مبتكرة. استخدم فريق البحث سبيكة من التيتانيوم المشتركة ، ti -6 al -4 v ، لإنشاء "metamaterial" ، وهو مصطلح يستخدم لوصف مادة اصطناعية تمتلك خصائص فريدة لم تلاحظها في الطبيعة - meta وسائل meta " ما وراء "في اليونانية.

العديد من هذه الهياكل المعقدة والقوية بشكل مدهش موجودة في الطبيعة ، مثل تلك الموجودة في زنبق المياه فيكتوريا. موطنها أمريكا الجنوبية ، هذه الورقة العائمة العملاقة قوية بما يكفي لدعم شخص بالغ بسبب بنية الشبكة الفريدة لأوردةها.

يمكن تصميم هياكل مواد من صنع الإنسان لتقليد هذه النباتات وغيرها من المواد المسامية الطبيعية مثل المرجان ، مع شبكات مختلفة تتراوح من مكعبات بسيطة إلى دوديكاهدرون المعقدة. المسام في هذه الهياكل شعرية مترابطة ، تشكيل القنوات. غالبًا ما تأتي هذه المواد الشبكية التي تُعرف باسم المواد "الخلوية" بمقايضة القوة إذا لم يتم تصميمها بشكل صحيح ، وفقًا للباحثين في RMIT.

وقال جوردان نورونها ، وهو دكتوراه: "ومع ذلك ، فإن الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد هي مغير للألعاب ، مما يسمح للباحثين بتصميم وتصنيع المعادن الخلوية المبتكرة للغاية والمعادن الخلوية القوية". المرشح الذي عمل في المشروع في RMIT.

في المواد الخلوية ، يتم توصيل الشبكات بثلاثة أبعاد بواسطة قضبان رقيقة أو صلبة تسمى الدعامات. باستخدام الدعامات المجوفة بدلاً من ذلك ، كان الباحثون يهدفون إلى صنع مادة خلوية منخفضة الكثافة بنفس القدر مثل سبيكة معدنية صلبة بكثافة مماثلة لسبائك المغنيسيوم عالية القوة.

طباعة المادة metamaterial

استخدم فريق الأبحاث بقيادة ما تشيان ، أستاذ في مركز RMIT للتصنيع الإضافي ، عملية طباعة ثلاثية الأبعاد تسمى "اندماج سرير مسحوق الليزر" لتصنيع مواد التيتانيوم. هذه التقنية ، التي تبني طبقة مادية تلو الأخرى باستخدام شعاع ليزر عالي الطاقة ، يستخدم عادة لإعداد أجزاء التصنيع المعقدة من أقل من ملليمتر إلى ما يقرب من مترين.

أوضح تشيان نهج فريقه. "أولاً ، تم تصميم عينة metamaterial شعرية بأكملها كنموذج رقمي. ثم ، يتم شرائح هذا النموذج رقميًا إلى العديد من الطبقات الرقيقة باستخدام أداة البرمجيات."

"تتضمن عملية التصنيع القائمة على الطبقة ذوبان الليزر لمساحيق المعادن ، والتصلب السريع للمعادن السائلة (مساحيق معدنية ذائبة) ، وعمليات التدفئة والتبريد المتكررة للمعادن المتصلب" ، قال.

يقول تشيان إن العملية برمتها تستغرق حاليًا حوالي 18 ساعة ، ولكن من خلال التحسين ، يخطط هو وفريقه لتقصير الإطار الزمني في المستقبل.

ما الذي يجعل المادة قوية جدا؟

الدعامات المجوفة والألواح الرقيقة هما الطوبولوجيان المسؤولان عن قوة Metamaterial العالية. على عكس معظم المواد الخلوية ، التي تحتوي على نقاط ضعف حيث تركز الإجهاد ، توزع هاتان الشرقان التكميليان التوتر بالتساوي مع توفير الدعم.

"من الناحية المثالية ، يجب انتشار الإجهاد في جميع المواد الخلوية بالتساوي" ، أوضح تشيان. "ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم الطوبولوجيا ، من الشائع أن يتحمل أقل من نصف المادة بشكل أساسي الحمل الضغط ، في حين أن الحجم الأكبر للمواد غير مهم من الناحية الهيكلية."

وأضاف: "هذا التصميم متعدد الطوابق يعزز أيضًا انحراف مسارات الكراك لتعزيز الصلابة". "بدلاً من الشقوق التي تحدث مباشرة من خلال الشبكة ، والتي تحدث في معظم المواد الخلوية ، في طوبولوجيا شعرية الشبكة المجوفة الرقيقة ، تعمل الدعامات والألواح معًا لتحويل الشقوق على طول مسار أطول."

تستخدم سبائك المغنيسيوم حاليًا في التطبيقات التجارية التي تتطلب قوة عالية وخفيفة الوزن. بالمقارنة مع أقوى سبائك المغنيسيوم المصبوب المتوفرة (WE54) ، فإن عينة من المواد الفنية التيتانيوم مع كثافة مماثلة أقوى بكثير. سبائك المغنيسيوم ليست أيضًا قابلة للاندماج في سرير مسحوق الليزر أو الطباعة ثلاثية الأبعاد بسبب تبخير المسحوق ، مما يمنح سبيكة التيتانيوم ميزة تصنيع.

الخطوات التالية والتطبيقات المحتملة

قبل تسويق المواد ، يريد تشيان وفريقه أولاً التأكد من أداء المادة بأقصى قدر من كفاءتها.

للقيام بذلك ، يخططون لتحسين تصميمهم الحالي لتعزيز وتخفيف المواد الفنية التيتانيوم أكثر. على سبيل المثال ، استنادًا إلى عمليات المحاكاة العددية ، ستقوم بضبط نسبة الألواح الرقيقة إلى الدعامات المجوفة للسماح بتوزيع أكثر موحدة للإجهاد في جميع أنحاء الهيكل بأكمله.

وفقًا للباحثين ، إذا تم تصنيع الماشية من سبيكة التيتانيوم عالية درجة الحرارة ، فيمكن استخدامها في درجات حرارة تصل إلى 600 درجة. هذه الميزة ، إلى جانب مقاومة التآكل ، تجعل المادة مناسبة للاستخدام في الطائرات أو الصواريخ الطيران عالية السرعة ، والتي يجب أن تكون قادرة على تحمل الحرارة الشديدة الناتجة عن سرعاتها العالية. ستستفيد الطائرات الطائرات التي تيتانيوم المستخدمة لمراقبة أو محاربة حرائق الغابات عن كثب من الوزن الخفيف والقوة ومقاومة الحرارة للمادة.

نظرًا لأن المادة المماثلة متوافقة حيوياً ، يمكن استخدامها أيضًا في الأجهزة الطبية مثل غرسات العظام. ومع ذلك ، فإن التكنولوجيا لم تتوفر على نطاق واسع في هذه المرحلة ، لذلك قد يستغرق تبنيها من قبل الصناعة بعض الوقت. صرح تشيان: "أهم قيودنا هو تفرد تقنيتنا ، وقد تكون تكلفة التصنيع مصدر قلق مهم آخر".

وأضاف: "عمليات التصنيع التقليدية ليست عملية لتصنيع هذه المواد المعدنية المعدنية المعقدة ، وليس كل شخص لديه آلة دمج مسحوق الليزر في مستودعهم". "ومع ذلك ، مع تطور التكنولوجيا ، ستصبح أكثر سهولة ، مما يمكّن جمهورًا أكبر من تنفيذ موادنا المتعددة الطوابق عالية القوة في مكوناتها."