Cấu trúc Titan in 3D cho thấy sức mạnh siêu nhiên

Một 'siêu vật liệu' được in 3D có mức độ bền về trọng lượng thường không thấy trong tự nhiên hoặc trong sản xuất có thể thay đổi cách chúng ta chế tạo mọi thứ, từ thiết bị cấy ghép y tế đến các bộ phận máy bay hoặc tên lửa.

Trưởng nhóm nghiên cứu Jordan Noronha cầm khối lưới titan. Nguồn hình ảnh: Đại học RMIT

Các nhà nghiên cứu của Đại học RMIT đã tạo ra siêu vật liệu mới – thuật ngữ dùng để mô tả vật liệu nhân tạo có những đặc tính độc đáo không có trong tự nhiên – từ hợp kim titan thông thường.

Nhưng chính thiết kế cấu trúc mạng tinh thể độc đáo của vật liệu, được tiết lộ gần đây trên tạp chí Advanced Materials, đã khiến nó trở nên phổ biến: các thử nghiệm cho thấy nó mạnh hơn 50% so với hợp kim mạnh nhất tiếp theo có mật độ tương tự được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Cải thiện thiết kế của thiên nhiên

Cấu trúc lưới làm bằng các thanh chống rỗng ban đầu được lấy cảm hứng từ thiên nhiên: những loài thực vật có thân rỗng khỏe mạnh như hoa súng Victoria hay san hô ống nội tạng cứng cáp (Tubipora musica) đã chỉ cho chúng ta cách kết hợp giữa nhẹ nhàng và sức mạnh.

Tuy nhiên, như Giáo sư xuất sắc Ma Qian của RMIT giải thích, nhiều thập kỷ cố gắng tái tạo các 'cấu trúc tế bào' rỗng này bằng kim loại đã thất bại do các vấn đề chung về khả năng chế tạo và ứng suất tải tập trung vào khu vực bên trong của các thanh chống rỗng, dẫn đến hư hỏng sớm.

Qian giải thích: “Lý tưởng nhất là sức căng trong tất cả các vật liệu tế bào phức tạp phải được trải đều”.

"Tuy nhiên, đối với hầu hết các cấu trúc liên kết, thông thường ít hơn một nửa vật liệu chủ yếu chịu tải trọng nén, trong khi khối lượng vật liệu lớn hơn thì không có ý nghĩa về mặt cấu trúc."

In 3D kim loại cung cấp các giải pháp sáng tạo chưa từng có cho những vấn đề này.

Bằng cách đẩy thiết kế in 3D đến giới hạn của nó, nhóm RMIT đã tối ưu hóa một loại cấu trúc mạng mới để phân phối ứng suất đồng đều hơn, nâng cao độ bền hoặc hiệu quả cấu trúc của nó.

Qian cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế một cấu trúc mạng hình ống rỗng có một dải mỏng chạy bên trong. Hai yếu tố này kết hợp với nhau thể hiện sức mạnh và sự nhẹ nhàng chưa từng thấy trong tự nhiên”.

“Bằng cách hợp nhất hiệu quả hai cấu trúc mạng bổ sung để phân bổ ứng suất đồng đều, chúng tôi tránh được những điểm yếu nơi ứng suất thường tập trung.”

Sức mạnh được hỗ trợ bằng tia laser

Nhóm đã in 3D thiết kế này tại Khu Sản xuất Tiên tiến của RMIT bằng quy trình gọi là phản ứng tổng hợp giường bột bằng laze, trong đó các lớp bột kim loại được nấu chảy vào đúng vị trí bằng chùm tia laze công suất cao.

Thử nghiệm cho thấy thiết kế in – một khối lưới titan – mạnh hơn 50% so với hợp kim magiê đúc WE54, hợp kim mạnh nhất có mật độ tương tự được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Cấu trúc mới đã giảm một nửa lực căng tập trung vào các điểm yếu khét tiếng của mạng một cách hiệu quả.

Thiết kế lưới đôi cũng có nghĩa là bất kỳ vết nứt nào cũng bị lệch dọc theo cấu trúc, tăng cường hơn nữa độ dẻo dai.

Tác giả chính của nghiên cứu và ứng viên tiến sĩ RMIT Jordan Noronha cho biết họ có thể tạo ra cấu trúc này ở quy mô vài mm hoặc vài mét bằng cách sử dụng các loại máy in khác nhau.

Khả năng in này, cùng với độ bền, khả năng tương thích sinh học, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt khiến nó trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho nhiều ứng dụng từ thiết bị y tế như cấy ghép xương cho đến các bộ phận máy bay hoặc tên lửa.

"So với hợp kim magiê đúc mạnh nhất hiện có hiện được sử dụng trong các ứng dụng thương mại đòi hỏi cường độ cao và nhẹ, siêu vật liệu titan của chúng tôi với mật độ tương đương đã được chứng minh là mạnh hơn nhiều hoặc ít bị thay đổi hình dạng vĩnh viễn khi chịu tải nén, chưa kể khả thi hơn nhiều đối với sản xuất," Noronha nói.

Nhóm dự định tiếp tục tinh chỉnh vật liệu để đạt hiệu quả tối đa và khám phá các ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao hơn.

Mặc dù hiện có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 350 độ, nhưng họ tin rằng nó có thể được chế tạo để chịu được nhiệt độ lên tới 600 độ bằng cách sử dụng nhiều hợp kim titan chịu nhiệt hơn, cho các ứng dụng trong máy bay không người lái hàng không vũ trụ hoặc chữa cháy.

Do công nghệ sản xuất vật liệu mới này chưa được phổ biến rộng rãi nên việc áp dụng nó trong ngành có thể mất một thời gian.

Ông nói: “Các quy trình sản xuất truyền thống không thực tế để chế tạo các siêu vật liệu kim loại phức tạp này và không phải ai cũng có máy nung chảy giường bột bằng laser trong kho của mình”.

"Tuy nhiên, khi công nghệ phát triển, nó sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn và quá trình in sẽ trở nên nhanh hơn nhiều, cho phép lượng đối tượng lớn hơn triển khai các siêu vật liệu đa cấu trúc liên kết có độ bền cao của chúng tôi trong các thành phần của chúng. Điều quan trọng là in 3D kim loại cho phép chế tạo hình dạng lưới dễ dàng cho các ứng dụng thực tế."

Giám đốc Kỹ thuật Phân khu Sản xuất Tiên tiến của RMIT, Giáo sư Xuất sắc Milan Brandt, cho biết nhóm hoan nghênh các công ty muốn hợp tác trên nhiều ứng dụng tiềm năng.

Ông nói: “Cách tiếp cận của chúng tôi là xác định những thách thức và tạo ra cơ hội thông qua thiết kế hợp tác, trao đổi kiến ​​thức, học tập dựa trên công việc, giải quyết vấn đề quan trọng và dịch thuật nghiên cứu”.