211service.com
Lekka, wytrzymała ceramika origami
Nowy sposób drukowania i składania ceramicznych i metalowych siatek w miniaturowe struktury może doprowadzić do nowatorskich lekkich konstrukcji inżynierskich. Technika ta polega na wytwarzaniu kratowanych arkuszy z atramentu ceramicznego, a następnie składaniu i podgrzewaniu tych arkuszy w celu uzyskania skomplikowanych kształtów. Metodę można wykorzystać do wytwarzania lekkich części do zastosowań lotniczych, złożonych rusztowań do inżynierii tkankowej oraz filtrów i katalizatorów do przemysłowej produkcji chemicznej.
Złożone struktury: Czerwony stożek w górnej środkowej części tego obrazu to głowica drukująca używana do tworzenia dwuwymiarowych siatek z atramentów ceramicznych i metalowych. Te kraty można składać, tworząc złożone struktury, w tym kostki, spirale, a nawet żuraw origami.
Potrafimy tworzyć złożone, trójwymiarowe kształty, których nie da się wykonać w inny sposób, mówi Jennifer Lewis , dyrektor Laboratorium Badań Materiałowych na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Lewis opracował technikę z badaczem z Illinois, Bokiem Ahnem i David Dunand , profesor materiałoznawstwa na Northwestern University. Naukowcy twierdzą, że wypełnia to potrzebę znalezienia sposobu na wytwarzanie skomplikowanych struktur w skali centymetrowej – zbyt małej do konwencjonalnego formowania lub obróbki, a zbyt dużej do litografii lub podobnych technik.
Lewis wcześniej stworzył nowe rodzaje atramentów i metody drukowania do tworzenia struktur dwuwymiarowych. Jej podejście polegało na wyciskaniu atramentów zawierających cząstki ceramiczne lub metalowe z głowicy drukującej, podobnie jak pasta do zębów byłaby wyciskana z tubki. Dzięki tym atramentom Lewis mógł tworzyć siatkowe wzory, jedna warstwa na raz. Siatki mogą być następnie podgrzewane w celu stopienia cząstek razem i usunięcia rozpuszczalników atramentu.
Grupa Lewis zwróciła się do składania origami, gdy współpracownik poprosił ją o wykonanie koncentrycznych cylindrów z tytanu do wykorzystania w inżynierii tkankowej jako implantów stymulujących wzrost kości. Ahn zdał sobie sprawę, że taką strukturę można wykonać, zwijając zadrukowaną siatkę przed jej podgrzaniem, a grupa majstrowała przy formułowaniu atramentów, aby lepiej pasowały do tego procesu. Materiał jest wystarczająco elastyczny, aby można go było złożyć, ale wystarczająco mocny, aby nie opadać ani nie pękać przed zestaleniem.
Ta sama technika została wykorzystana do tworzenia złożonych konstrukcji, w tym żurawia origami wymagającego 16 składanych stopni. Żuraw nie ma praktycznego zastosowania, ale pokazuje zalety tej techniki - twierdzą naukowcy.
Technika drukowania i składania pozwala na uzyskanie pożądanego kształtu, ale przy zmniejszeniu ciężaru, mówi Bob Peterson, starszy naukowiec w firmie Aerojet , firma lotnicza z siedzibą w Sacramento w Kalifornii, która nie jest powiązana z grupą Illinois.
Peterson twierdzi, że technika ta może być wykorzystana do produkcji, na przykład, lżejszych tytanowych rozpórek wzmacniających do skrzydeł rakietowych i szacuje, że technika produkcyjna grupy z Illinois może zmniejszyć wagę tych konkretnych części z około 1,5 funta do ćwierć funta. Zamiast na przykład tworzyć solidną kostkę tytanową, naukowcy mogliby zbudować pustą kostkę ze znacznie mniejszej ilości materiału. Składane konstrukcje metalowe i ceramiczne powinny być również odporne na ekstremalne temperatury i duże obciążenia, co jest ważne w zastosowaniach lotniczych i przemysłowych.
Naukowcy z Illinois pracują z szerszą gamą materiałów i testują właściwości mechaniczne konstrukcji, które już wykonali. Jak mówi Dunand, struktury tytanowe są mocne i odporne na pękanie. Dodaje, że podejście powinno być kompatybilne z szeregiem materiałów poza tytanem, w tym ze stalą i innymi metalami, wieloma materiałami ceramicznymi oraz związkami używanymi do wytwarzania zeolitów, które są powszechnie stosowane do filtracji i katalizy.