معجزه تیتانیومی در ساخت خودرو و سازه ها - کنفرانس هکا

غزال زیاری: دانشمندان با بهره گیری از پرینترهای سه بعدی فلزی پیشرفته، می توانند ساختارهای مشبکی را با الهام گرفتن از طبیعت ایجاد نمایند که قادر است تا تنش بار را در بین پایه های داخلی توزیع کند.

آنها با بهره گیری از این روش، یک مکعب شبکه ای از یک فراماده نو ساخته اند که 50% از آلیاژهای هوافضا با چگالی مشابه قوی تر است. این یک پیشرفت چشمگیر به شمار میرود؛ اما این فراماده به یک فرآیند ساخت پیشرفته نیازمند است و این بدان معناست که به این زودی ها در هواپیماها یا صنایع دیگر شاهد استفاده از آن نخواهیم بود.

الهام گرفتن از طبیعت

طبیعت بزرگترین معلم مهندسان است. انسان ها سوزن های جراحی را با الهام گرفتن از پشه ها ساختند؛ لامپ های LED را با ایده گرفتن از کرم شب تاب و حتی فناوری ساخت هلیکوپتر را با تماشای مرغ مگس خوار طراحی کردند. مهندسان برای ایجاد برخی از سخت ترین مواد هوا فضا، با بازسازی ساختارهای شبکه ای در پایه های توخالی موجود در نیلوفرهای آبی ویکتوریایی و رجان های لوله ای وارد عمل شده اند.

البته بازآفرینی این سازه های طبیعی، یک دردسر بزرگ مهندسی به شمار می رود؛ چرا که توانایی فراوری محدود، بدین معناست که این سازه های مشبک، پتانسیل تحمل بار زیادی ندارند. خوشبختانه عصر چاپ سه بعدی، حالا سطحی از ظرافت را به ارمغان آورده که به مهندسان اجازه می دهد تا اسرار سبک و در عین حال بادوام طبیعت را به خدمت بگیرند.

متاماده ای هم وزن ولی قوی تر از آلیاژ منیزیم

در مقاله ای که اخیرا در مجله Advanced Materials منتشر شد، دانشمندانی از دانشگاه سلطنتی فناوری ملبورن (RMIT) استرالیا، یک متاماده را با بهره گیری از فناوری چاپ سه بعدی ساخته اند که 50% قوی تر از آلیاژ منیزیم ریخته گری WE54 است که در صنعت هوا فضا مورد استفاده قرار می گیرد و این درحالی است که چگالی مشابهی با آن دارد.

اعضای این تیم، در این مسیر بر یک مشکل رایج درباره ساختارهای سلولی توخالی که علت آن استرس متمرکز بر نواحی خاصی از پایه است که منجر به شکست زودرس می گردد، غلبه کردند. در نتیجه دانشمندان توانستند یک شبکه چند توپولوژیک طراحی نمایند که تنش بار را به شکل یکنواختی توزیع کند و بدین ترتیبنقاط داغ در تحمل وزن بار، ایجاد نشده و ترک ها در طول سازه منحرف گشت.

ما کیان، استاد دانشگاه RMIT و یکی از نویسندگان مطالعه در این رابطه گفت: در بیشتر توپولوژی ها، به شکل معمول کمتر از نیمی از مواد، بخش عمده بار فشاری را متحمل می شوند؛ این در حالی است که حجم بیشتر مواد از نظر ساختاری ناچیز است. ما یک ساختار شبکه ای لوله ای توخالی طراحی کردیم که یک نوار نازک در درون آن قرار گرفته است. این دو عنصر باهم قدرت و سبکی ای را به نمایش می گذارند که تا پیش از این در طبیعت با هم دیده نشده بودند. با ادغام موثر دو ساختار شبکه ای مکمل برای توزیع یکنواخت تنش، ما از نقاط ضعفی که استرس معمولا در آنها متمرکز می گردد، اجتناب خواهیم کرد.

ایجاد این شبکه فوق العاده بادوام و چند توپولوژیکی، به لطف چاپگر همجوشی بستر لیزری پودری (L-PBF) امکان پذیر است که بسیار پیچیده تر از چاپگر سه بعدی رومیزی معمولی افراد است. همان طور که از نام این چاپگر پیداست، این دستگاه از پودر فلزی که با استفاده از پرتوهای لیزر پرقدرت در جای خود ذوب می شوند، استفاده می نماید. براساس یک مطالعه جداگانه که در سال 2023 انجام شد، این پرینتر محدودیت طراحی کمی بر هندسه قطعات اعمال می نماید و ساخت قطعات پیچیده ای که بسیار قابل تنظیم هستند را فراهم می سازد.

این حد غیرقابل باور از آزادی عمل در فراوری، این امکان را برای محققان فراهم کرد که نه تنها مکعب های شبکه ای فوق العاده قوی ای را ایجاد نمایند، بلکه پیروز به ساخت آنها در مقدار های متفاوتی از چند میلی متر تا چند متر شدند. بدین ترتیب کاربردهای بالقوه آنها در صنایع مختلف افزایش چشمگیری خواهد داشت. این ماده به علاوه در برابر خوردگی و گرما مقاوم است و می تواند تا دمای 350 درجه سانتیگراد را تحمل کند (البته دانشمندان مطمئند که حتی رسیدن به آستانه 600 درجه سانتیگراد نیز امکان پذیر خواهد بود.)

البته کشف این فراماده بسیار قوی، تازه مرحله اول کار است و ساخت چنین شی پیچیده ای در مقیاس انبوه، چالش بعدی خواهد بود. این در درجه اول به این علت است که طبق اعلام محققان، هرکسی دستگاه همجوشی بستر لیزری پودری را در اختیار ندارد.

اما به محض اینکه این دستگاه در اختیار باشد، شگفتی های طبیعت بار دیگر در اختیار ما قرار خواهد گرفت.

منبع: popularmechanics

5858