מועמד לדוקטורט ג'ורדן נורונה מחזיק בדגימה של מבנה סריג הטיטניום החדש בתלת-ממד המודפס בצורת קובייה. קרדיט: RMIT
'מטה-חומר' מודפס בתלת-ממד המתגאה ברמות של חוזק למשקל שלא נראות בדרך כלל בטבע או בייצור, עשוי לשנות את האופן שבו אנו מייצרים כל דבר, החל משתלים רפואיים ועד לחלקי מטוסים או רקטות.
חוקרי אוניברסיטת RMIT יצרו את המטא-חומר החדש – מונח המשמש לתיאור חומר מלאכותי בעל תכונות ייחודיות שלא נצפו בטבע – מטיטניום נפוץ סַגסוֹגֶת.
אבל זה עיצוב מבנה הסריג הייחודי של החומר, שנחשף לאחרונה בכתב העת חומרים מתקדמיםמה שהופך אותו לכל דבר מלבד נפוץ: בדיקות מראים שהיא חזקה ב-50% מהסגסוגת החזקה הבאה בצפיפות דומה המשמשת ביישומי תעופה וחלל.
עיצובים וחידושים בהשראת הטבע
מבני סריג העשויים מתמוכות חלולות נוצרו במקור בהשראת הטבע: צמחים חזקים עם גבעול חלול כמו שושן המים ויקטוריה או אלמוג צינור העוגב הקשיח (Tubipora musica) הראו לנו את הדרך לשלב קלילות וחוזק.
דוגמה של מבנה סריג הטיטניום החדש בתלת מימד מודפס בצורת קובייה. קרדיט: RMIT. מבנה סריג טיטניום חדש בתלת מימד מודפס בצורת קובייה. קרדיט: RMIT
עם זאת, כפי שמסביר פרופסור המובהק מא צ'יאן של RMIT, עשרות שנים של ניסיון לשכפל 'מבנים תאיים' חלולים אלה במתכות היו מתוסכלים מהבעיות הנפוצות של כושר ייצור ולחץ עומס המתרכז באזורים הפנימיים של התמוכות החלולות, מה שהוביל לכשלים מוקדמים.
"באופן אידיאלי, הלחץ בכל החומרים הסלולריים המורכבים צריך להתפזר באופן שווה", הסביר צ'יאן.
"עם זאת, לרוב הטופולוגיות, מקובל שפחות ממחצית החומר נושא בעיקר את עומס הלחיצה, בעוד שהנפח הגדול יותר של החומר אינו משמעותי מבחינה מבנית."
הדפסת תלת מימד מתכת מספקת פתרונות חדשניים חסרי תקדים לבעיות אלו.
על ידי דחיפת עיצוב הדפסת תלת מימד לגבולותיו, צוות RMIT אופטימיזציה של סוג חדש של מבנה סריג כדי לפזר את הלחץ בצורה שווה יותר, ולשפר את החוזק או היעילות המבנית שלו.
"תכננו מבנה סריג צינורי חלול שבתוכו עוברת פס דק. שני האלמנטים הללו יחד מראים חוזק וקלילות שלא נראו בעבר יחד בטבע", אמר צ'יאן.
"על ידי מיזוג יעיל של שני מבני סריג משלימים לפיזור שווה של מתח, אנו נמנעים מנקודות התורפה שבהן הלחץ מתרכז בדרך כלל."
בדיקת דחיסה מציגה ריכוזי מתח (משמאל) באדום ובצהוב על סריג התמוך החלול, בעוד שמבנה הסריג הכפול (מימין) מפזר את הלחץ באופן שווה יותר כדי למנוע נקודות חמות. קרדיט: RMIT
טכניקות ייצור מתקדמות
הצוות בתלת-ממד הדפיס את העיצוב הזה במתחם הייצור המתקדם של RMIT תוך שימוש בתהליך הנקרא היתוך לייזר אבקה, שבו שכבות של אבקת מתכת נמסות למקומן באמצעות קרן לייזר בעלת עוצמה גבוהה.
בדיקות הראו שהעיצוב המודפס – קוביית סריג טיטניום – היה חזק ב-50% מסגסוגת מגנזיום יצוקה WE54, הסגסוגת החזקה ביותר בצפיפות דומה המשמשת ביישומי תעופה וחלל. המבנה החדש הפחית למעשה בחצי את כמות הלחץ שהתרכזה בנקודות התורפה הידועות לשמצה של הסריג.
עיצוב הסריג הכפול אומר גם שכל הסדקים מוסטים לאורך המבנה, מה שמשפר עוד יותר את הקשיחות.
פרופסור מרטין לירי, פרופסור מא קיאן, ג'ורדן נורוניה ופרופסור מילאן ברנדט במרכז לייצור תוסף של RMIT. קרדיט: RMIT
מחבר המחקר והמועמד לדוקטורט של RMIT, ג'ורדן נורונה, אמר שהם יכולים ליצור את המבנה הזה בקנה מידה של כמה מילימטרים או כמה מטרים בגודל באמצעות סוגים שונים של מדפסות.
יכולת ההדפסה הזו, יחד עם החוזק, התאימות הביולוגית, הקורוזיה ועמידות החום הופכים אותו למועמד מבטיח ליישומים רבים, החל ממכשירים רפואיים כגון שתלי עצם ועד לחלקי מטוסים או רקטות.
יישומים עתידיים ואימוץ בתעשייה
"בהשוואה לסגסוגת המגנזיום היצוקה החזקה ביותר הזמינה המשמשת כיום ביישומים מסחריים הדורשים חוזק גבוה ומשקל קל, הוכח כי חומר הטיטניום שלנו עם צפיפות דומה הוא הרבה יותר חזק או פחות רגיש לשינוי צורה קבוע תחת עומס דחיסה, שלא לדבר על ריאלי יותר לייצר," אמר Noronha.
הצוות מתכנן לחדד עוד יותר את החומר ליעילות מרבית ולחקור יישומים בסביבות בטמפרטורה גבוהה יותר.
למרות שהם עמידים כיום לטמפרטורות גבוהות עד 350 מעלות צלזיוס, הם מאמינים שניתן ליצור אותו לעמוד בטמפרטורות של עד 600 מעלות צלזיוס באמצעות סגסוגות טיטניום עמידות יותר בחום, עבור יישומים בתעופה וחלל או ברחפנים.
מכיוון שהטכנולוגיה לייצור חומר חדש זה עדיין לא זמינה באופן נרחב, אימוצו על ידי התעשייה עשוי להימשך זמן מה.
מועמד לדוקטורט ג'ורדן נורונה מחזיק בדגימה של מבנה סריג הטיטניום החדש בתלת-ממד המודפס בצורת קובייה. קרדיט: RMIT
"תהליכי ייצור מסורתיים אינם מעשיים לייצור המתכות המורכבות הללו מטא-חומריםולא לכולם יש מכונת היתוך מיטת לייזר במחסן שלהם", אמר.
"עם זאת, ככל שהטכנולוגיה תתפתח, היא תהפוך לנגישה יותר ותהליך ההדפסה יהפוך למהיר הרבה יותר, מה שיאפשר לקהל גדול יותר ליישם את המטא-חומרים הרב-טופולוגיים בעלי החוזק הגבוה שלנו במרכיביהם. חשוב לציין, הדפסת תלת מימד מתכת מאפשרת ייצור קל של צורה נטו עבור יישומים אמיתיים."
המנהל הטכני של מתחם הייצור המתקדם של RMIT, פרופסור הנכבד מילאן ברנדט, אמר שהצוות קיבל בברכה חברות שרוצות לשתף פעולה עם היישומים הפוטנציאליים הרבים.
"הגישה שלנו היא לזהות אתגרים וליצור הזדמנויות באמצעות עיצוב שיתופי, חילופי ידע, למידה מבוססת עבודה, פתרון בעיות קריטיות ותרגום מחקרים", אמר.
המחברים מכירים בתמיכה המדעית והטכנית של RMIT Advanced Manufacturing Precinct ושל מתקן המיקרוסקופיה והמיקרואנליזה של RMIT, במיוחד הצוות הטכני סיימון ברודלר ופול ספיטיל. הפרויקט מומן על ידי מועצת המחקר האוסטרלית.
