Struktur titanium cetak 3D terlihat

Artikel ini telah ditinjau sesuai dengan proses dan kebijakan editorial Science X. Para editor telah menekankan atribut berikut sambil memastikan kredibilitas konten:

fakta diverifikasi

sumber terpercaya

membenarkan

OKE! Demonstrasi struktur kisi titanium baru yang dicetak 3D dalam bentuk kubus. Kredit: RMIT

× tutup

Demonstrasi struktur kisi titanium baru yang dicetak 3D dalam bentuk kubus. Kredit: RMIT

Dengan tingkat kekuatan dibandingkan berat yang tidak umum ditemukan di alam atau manufaktur, “metamaterial” yang dicetak 3D dapat mengubah cara kita membuat segala sesuatu mulai dari implan medis hingga komponen pesawat terbang atau roket.

Para peneliti di Universitas RMIT telah menciptakan metamaterial baru – istilah yang digunakan untuk menggambarkan bahan buatan dengan sifat unik yang tidak terlihat di alam – dari paduan titanium biasa.

Namun desain struktur kisi-kisi material yang unik, yang baru-baru ini diungkapkan dalam jurnal Advanced Materials, menjadikannya sesuatu yang luar biasa: pengujian menunjukkan bahwa material tersebut 50% lebih kuat daripada paduan terkuat berikutnya dengan kepadatan serupa yang digunakan dalam aplikasi luar angkasa.

Memperbaiki rancangan alam itu sendiri

Struktur kisi-kisi yang terbuat dari penyangga berongga awalnya terinspirasi oleh alam: tanaman kuat dengan batang berongga seperti bunga bakung Victoria atau karang pipa organ yang kuat (Tubipora musica) menunjukkan kepada kita cara menggabungkan ringan dan kuat.

Namun, seperti yang dijelaskan Profesor Ma Qian dari RMIT, upaya selama puluhan tahun untuk mereplikasi ‘struktur seluler’ berongga ini pada logam telah digagalkan oleh masalah kemampuan manufaktur yang umum dan beban yang terkonsentrasi pada bagian dalam penyangga berongga, sehingga menyebabkan kegagalan dini.

“Idealnya, tekanan pada semua materi seluler yang kompleks harus didistribusikan secara merata,” jelas Qian.

“Namun, umumnya pada sebagian besar topologi, kurang dari separuh material memikul beban tekan, sedangkan sebagian besar material secara struktural tidak signifikan.”

Pencetakan 3D logam memberikan solusi inovatif yang belum pernah ada sebelumnya untuk masalah ini.

Ph.D. kandidat Jordan Noronha memegang sampel struktur kisi titanium baru yang dicetak 3D dalam bentuk kubus. Kredit: RMIT.

× tutup

Ph.D. kandidat Jordan Noronha memegang sampel struktur kisi titanium baru yang dicetak 3D dalam bentuk kubus. Kredit: RMIT.

Mendorong desain pencetakan 3D hingga batas maksimalnya, tim RMIT mengoptimalkan struktur kisi jenis baru untuk mendistribusikan tekanan secara lebih merata dan meningkatkan kekuatan, atau efisiensi strukturalnya.

“Kami merancang struktur kisi tubular berongga yang memiliki strip tipis di dalamnya. Bersama-sama, kedua elemen ini menunjukkan kekuatan dan ringan yang belum pernah terlihat bersamaan di alam,” kata Qian.

“Dengan menggabungkan dua struktur jaringan yang saling melengkapi secara efektif untuk mendistribusikan tekanan secara merata, kita menghindari titik lemah di mana stres biasanya terkonsentrasi.”

Kekuatan bertenaga laser

Tim mencetak desain tersebut secara 3D di Advanced Manufacturing Precinct RMIT menggunakan proses yang disebut fusi bubuk laser, yaitu lapisan bubuk logam dilebur ke tempatnya menggunakan sinar laser berkekuatan tinggi.

Pengujian menunjukkan bahwa desain cetakan—kubus kisi titanium—50% lebih kuat dibandingkan paduan magnesium cor WE54, paduan terkuat dengan kepadatan serupa yang digunakan dalam aplikasi luar angkasa. Struktur baru ini secara efektif mengurangi separuh jumlah tekanan yang terkonsentrasi pada titik lemah kisi-kisi yang terkenal.

Konstruksi kisi ganda juga berarti setiap retakan dibelokkan di sepanjang struktur, sehingga semakin meningkatkan kekakuan.

Penulis utama studi dan RMIT Ph.D. Kandidatnya, Jordan Noronha, mengatakan mereka dapat memproduksi struktur ini dalam skala beberapa milimeter atau beberapa meter dengan menggunakan berbagai jenis printer.

Kemampuan mencetak ini, bersama dengan kekuatan, biokompatibilitas, korosi dan ketahanan panasnya, menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk banyak aplikasi, mulai dari perangkat medis seperti implan tulang hingga komponen pesawat terbang atau roket.

Pengujian kompresi menunjukkan (kiri) konsentrasi tegangan berwarna merah dan kuning pada kisi-kisi penyangga berongga, sedangkan (kanan) struktur kisi ganda menyebarkan tegangan lebih merata untuk menghindari titik panas. Kredit: RMIT

× tutup

“Dibandingkan dengan paduan magnesium cor terkuat yang saat ini digunakan dalam aplikasi komersial yang membutuhkan kekuatan tinggi dan ringan, metamaterial titanium kami dengan kepadatan sebanding telah terbukti jauh lebih kuat atau tidak terlalu rentan terhadap deformasi permanen di bawah pembebanan tekan, belum lagi produksi yang lebih layak. “ucap Noronha.

Tim berencana untuk lebih menyempurnakan material untuk efisiensi maksimum dan mengeksplorasi aplikasi di lingkungan bersuhu lebih tinggi.

Informasi lebih lanjut:
Jordan Noronha dkk, Metamaterial Multi-Topologi Titanium dengan Kekuatan Luar Biasa, Material Canggih (2023). DOI: 10.1002/adma.202308715