3डी प्रिंटेड टाइटेनियम संरचना अलौकिक शक्ति दिखाती है

एक 3डी मुद्रित 'मेटामेट्री' वजन के लिए ताकत के स्तर का दावा करता है जो आमतौर पर प्रकृति या विनिर्माण में नहीं देखा जाता है, यह बदल सकता है कि हम चिकित्सा प्रत्यारोपण से लेकर विमान या रॉकेट भागों तक सब कुछ कैसे बनाते हैं।

अध्ययन प्रमुख जॉर्डन नोरोन्हा के पास टाइटेनियम जाली का घन है। छवि क्रेडिट: आरएमआईटी विश्वविद्यालय

आरएमआईटी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने सामान्य टाइटेनियम मिश्र धातु से नया मेटामटेरियल बनाया - एक शब्द जिसका उपयोग प्रकृति में नहीं देखे गए अद्वितीय गुणों के साथ एक कृत्रिम सामग्री का वर्णन करने के लिए किया जाता है।

लेकिन यह सामग्री की अनूठी जाली संरचना डिजाइन है, जिसे हाल ही में जर्नल एडवांस्ड मटेरियल्स में प्रकाशित किया गया है, जो इसे कुछ भी लेकिन सामान्य बनाता है: परीक्षणों से पता चलता है कि यह एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले समान घनत्व के अगले सबसे मजबूत मिश्र धातु की तुलना में 50% अधिक मजबूत है।

प्रकृति के डिज़ाइन में सुधार

खोखले स्ट्रट्स से बनी जालीदार संरचनाएं मूल रूप से प्रकृति से प्रेरित थीं: विक्टोरिया वॉटर लिली या हार्डी ऑर्गन पाइप कोरल (टुबिपोरा म्यूज़िका) जैसे मजबूत खोखले तने वाले पौधों ने हमें हल्केपन और ताकत को संयोजित करने का रास्ता दिखाया।

हालाँकि, जैसा कि आरएमआईटी के प्रतिष्ठित प्रोफेसर मा कियान बताते हैं, धातुओं में इन खोखले 'सेलुलर संरचनाओं' को दोहराने की दशकों की कोशिश विनिर्माण क्षमता और खोखले स्ट्रट्स के अंदरूनी क्षेत्रों पर ध्यान केंद्रित करने वाले लोड तनाव के सामान्य मुद्दों से निराश हो गई है, जिससे समय से पहले विफलताएं होती हैं।

"आदर्श रूप से, सभी जटिल सेलुलर सामग्रियों में तनाव समान रूप से फैलाया जाना चाहिए," कियान ने समझाया।

"हालांकि, अधिकांश टोपोलॉजी के लिए, आधे से भी कम सामग्री के लिए मुख्य रूप से संपीड़ित भार सहन करना आम बात है, जबकि सामग्री की बड़ी मात्रा संरचनात्मक रूप से नगण्य है।"

मेटल 3डी प्रिंटिंग इन मुद्दों के लिए अभूतपूर्व नवीन समाधान प्रदान करती है।

3डी प्रिंटिंग डिज़ाइन को उसकी सीमा तक पहुंचाकर, आरएमआईटी टीम ने तनाव को अधिक समान रूप से वितरित करने, इसकी ताकत या संरचनात्मक दक्षता को बढ़ाने के लिए एक नए प्रकार की जाली संरचना को अनुकूलित किया।

कियान ने कहा, "हमने एक खोखली ट्यूबलर जाली संरचना तैयार की है, जिसके अंदर एक पतली पट्टी चलती है। ये दोनों तत्व मिलकर ताकत और हल्कापन दिखाते हैं जो प्रकृति में पहले कभी एक साथ नहीं देखा गया था।"

"तनाव को समान रूप से वितरित करने के लिए दो पूरक जाली संरचनाओं को प्रभावी ढंग से विलय करके, हम उन कमजोर बिंदुओं से बचते हैं जहां तनाव सामान्य रूप से केंद्रित होता है।"

लेज़र-संचालित शक्ति

टीम 3डी ने लेजर पाउडर बेड फ्यूजन नामक प्रक्रिया का उपयोग करके आरएमआईटी के एडवांस्ड मैन्युफैक्चरिंग प्रीसिंक्ट में इस डिजाइन को मुद्रित किया, जहां उच्च शक्ति वाले लेजर बीम का उपयोग करके धातु पाउडर की परतों को पिघलाया जाता है।

परीक्षण से पता चला कि मुद्रित डिज़ाइन - एक टाइटेनियम जाली क्यूब - कास्ट मैग्नीशियम मिश्र धातु WE54 से 50% अधिक मजबूत था, जो एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले समान घनत्व का सबसे मजबूत मिश्र धातु है। नई संरचना ने जाली के कुख्यात कमजोर बिंदुओं पर केंद्रित तनाव की मात्रा को प्रभावी ढंग से आधा कर दिया है।

डबल जाली डिजाइन का मतलब यह भी है कि किसी भी दरार को संरचना के साथ विक्षेपित किया जाता है, जिससे कठोरता बढ़ जाती है।

अध्ययन के मुख्य लेखक और आरएमआईटी पीएचडी उम्मीदवार जॉर्डन नोरोन्हा ने कहा कि वे विभिन्न प्रकार के प्रिंटर का उपयोग करके इस संरचना को कई मिलीमीटर या कई मीटर आकार के पैमाने पर बना सकते हैं।

ताकत, जैव-अनुकूलता, संक्षारण और गर्मी प्रतिरोध के साथ यह मुद्रण क्षमता इसे चिकित्सा उपकरणों जैसे हड्डी प्रत्यारोपण से लेकर विमान या रॉकेट भागों तक कई अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती है।

"उच्च शक्ति और हल्के वजन की आवश्यकता वाले वाणिज्यिक अनुप्रयोगों में वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले सबसे मजबूत उपलब्ध कास्ट मैग्नीशियम मिश्र धातु की तुलना में, तुलनीय घनत्व के साथ हमारे टाइटेनियम मेटामेट्री को संपीड़न लोडिंग के तहत स्थायी आकार परिवर्तन के लिए अधिक मजबूत या कम संवेदनशील दिखाया गया है, और अधिक व्यवहार्य होने का उल्लेख नहीं किया गया है निर्माण, “नोरोन्हा ने कहा।

टीम अधिकतम दक्षता के लिए सामग्री को और अधिक परिष्कृत करने और उच्च तापमान वाले वातावरण में अनुप्रयोगों का पता लगाने की योजना बना रही है।

जबकि वर्तमान में यह 350 डिग्री तक के तापमान के लिए प्रतिरोधी है, उनका मानना ​​है कि इसे एयरोस्पेस या अग्निशमन ड्रोन में अनुप्रयोगों के लिए अधिक गर्मी प्रतिरोधी टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग करके 600 डिग्री तक के तापमान का सामना करने के लिए बनाया जा सकता है।

चूँकि इस नई सामग्री को बनाने की तकनीक अभी तक व्यापक रूप से उपलब्ध नहीं है, इसलिए उद्योग द्वारा इसे अपनाने में कुछ समय लग सकता है।

उन्होंने कहा, "इन जटिल धातु मेटामटेरियल्स के निर्माण के लिए पारंपरिक विनिर्माण प्रक्रियाएं व्यावहारिक नहीं हैं, और हर किसी के गोदाम में लेजर पाउडर बेड फ्यूजन मशीन नहीं है।"

"हालांकि, जैसे-जैसे तकनीक विकसित होती है, यह अधिक सुलभ हो जाएगी और मुद्रण प्रक्रिया बहुत तेज हो जाएगी, जिससे एक बड़ा दर्शक वर्ग हमारे उच्च-शक्ति मल्टी-टोपोलॉजी मेटामटेरियल्स को अपने घटकों में लागू करने में सक्षम हो जाएगा। महत्वपूर्ण रूप से, धातु 3 डी प्रिंटिंग आसान नेट आकार निर्माण की अनुमति देती है वास्तविक अनुप्रयोगों के लिए।"

आरएमआईटी के उन्नत विनिर्माण क्षेत्र के तकनीकी निदेशक, प्रतिष्ठित प्रोफेसर मिलन ब्रांट ने कहा कि टीम ने कई संभावित अनुप्रयोगों पर सहयोग करने की इच्छुक कंपनियों का स्वागत किया।

उन्होंने कहा, "हमारा दृष्टिकोण सहयोगी डिजाइन, ज्ञान विनिमय, कार्य-आधारित शिक्षा, महत्वपूर्ण समस्या-समाधान और अनुसंधान के अनुवाद के माध्यम से चुनौतियों की पहचान करना और अवसर पैदा करना है।"