Struktur Titanium Cetak 3D 50% Lebih Kuat Dari Paduan Dirgantara

‘Metamaterial’ cetakan 3D yang menawarkan tingkat kekuatan terhadap berat yang biasanya tidak terlihat di alam atau manufaktur dapat mengubah cara kita membuat segala sesuatu mulai dari implan medis hingga komponen pesawat terbang atau roket.

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

Read Also

Mirage Mars: Mengungkap Medan Dunia Lain di Namibia

06 May 2024

Namun desain struktur kisi unik material tersebut, yang baru-baru ini diungkapkan dalam jurnal Materi Lanjutansehingga membuatnya tidak umum: pengujian menunjukkan bahwa ia 50% lebih kuat daripada paduan terkuat berikutnya dengan kepadatan serupa yang digunakan dalam aplikasi luar angkasa.

Desain dan Inovasi yang Terinspirasi Alam

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

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

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

Read Also

“Gelombang Radcliffe” Besar dan Misterius di Bima Sakti Berosilasi Melalui Ruang-Waktu

21 Feb 2024

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

“Namun, pada sebagian besar topologi, biasanya kurang dari separuh material yang menanggung sebagian besar beban tekan, sedangkan volume material yang lebih besar tidak signifikan secara struktural.”

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

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

“Kami merancang struktur kisi tubular berongga yang memiliki pita tipis di dalamnya. Kedua elemen ini bersama-sama menunjukkan kekuatan dan keringanan yang belum pernah terlihat bersama di alam,” kata Qian.

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

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

Teknik Manufaktur Tingkat Lanjut

Tim 3D mencetak desain ini di Advanced Manufacturing Precinct RMIT menggunakan proses yang disebut laser powder bed fusion, yaitu lapisan bubuk logam dilebur ke tempatnya menggunakan sinar laser berkekuatan tinggi.

Pengujian menunjukkan desain cetakan – kubus kisi titanium – 50% lebih kuat dari 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 yang terkenal itu.

Desain kisi ganda juga berarti retakan apa pun dibelokkan di sepanjang struktur, sehingga semakin meningkatkan ketangguhannya.

Profesor Martin Leary, Profesor Ma Qian, Jordan Noronha dan Profesor Milan Brandt di Pusat Manufaktur Aditif RMIT. Kredit: RMIT

Penulis utama studi dan kandidat PhD RMIT Jordan Noronha mengatakan mereka dapat membuat struktur ini dalam skala beberapa milimeter atau beberapa meter menggunakan berbagai jenis printer.

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

Penerapan Masa Depan dan Adopsi Industri

“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 terbukti jauh lebih kuat atau kurang rentan terhadap perubahan bentuk permanen di bawah pembebanan tekan, belum lagi lebih layak untuk memproduksinya,” kata Noronha.

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

Meskipun saat ini tahan terhadap suhu setinggi 350 °C, mereka yakin perangkat ini dapat dibuat untuk menahan suhu hingga 600 °C dengan menggunakan paduan titanium yang lebih tahan panas, untuk aplikasi di ruang angkasa atau drone pemadam kebakaran.

Karena teknologi untuk membuat bahan baru ini belum tersedia secara luas, penerapannya oleh industri mungkin memerlukan waktu.

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

“Proses manufaktur tradisional tidak praktis untuk pembuatan logam rumit ini bahan metadan tidak semua orang memiliki mesin fusi lapisan bubuk laser di gudangnya,” ujarnya.

“Namun, seiring berkembangnya teknologi, teknologi ini akan menjadi lebih mudah diakses dan proses pencetakan akan menjadi lebih cepat, sehingga memungkinkan lebih banyak audiens untuk menerapkan metamaterial multi-topologi berkekuatan tinggi kami dalam komponen mereka. Yang terpenting, pencetakan 3D logam memungkinkan fabrikasi bentuk jaring yang mudah untuk aplikasi nyata.”

Direktur Teknis Kawasan Manufaktur Lanjutan RMIT, Profesor Terhormat Milan Brandt, mengatakan tim menyambut baik perusahaan yang ingin berkolaborasi dalam banyak aplikasi potensial.

“Pendekatan kami adalah mengidentifikasi tantangan dan menciptakan peluang melalui desain kolaboratif, pertukaran pengetahuan, pembelajaran berbasis kerja, pemecahan masalah kritis, dan penerjemahan penelitian,” katanya.

Referensi: “Metamaterial Multi-Topologi Titanium dengan Kekuatan Luar Biasa” oleh Jordan Noronha, Jason Dash, Jason Rogers, Martin Leary, Milan Brandt dan Ma Qian, 31 Desember 2023, Materi Lanjutan.
DOI: 10.1002/adma.202308715

Para penulis mengucapkan terima kasih atas dukungan ilmiah dan teknis dari RMIT Advanced Manufacturing Precinct dan Fasilitas Mikroskopi dan Mikroanalisis RMIT, khususnya staf teknis Simon Brudler dan Paul Spithill. Proyek ini didanai oleh Dewan Riset Australia.