3D printed τιτάνιο αποδεικνύεται ανθεκτικότερο και στοιχίζει τρεις φορές λιγότερο

Μια νέα καινοτομία στον τομέα της μεταλλουργίας έρχεται από την Αυστραλία και υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται τα κράματα τιτανίου μέσω 3D printing. Ερευνητές από το RMIT University ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο που όχι μόνο βελτιώνει τη μηχανική αντοχή των 3D-τυπωμένων κραμάτων τιτανίου, αλλά τα καθιστά και σημαντικά φθηνότερα στην παραγωγή.

Το τιτάνιο και τα κράματά του είναι ήδη γνωστά για τις εξαιρετικές ιδιότητές τους, όπως η υψηλή αντοχή σε σχέση με το βάρος τους, η αντίσταση στη διάβρωση και η βιοσυμβατότητα. Γι’ αυτό και χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροναυπηγική, την ιατρική (όπως σε εμφυτεύματα ισχίων και γονάτων), την οδοντιατρική, την κατασκευή πλοίων και ακόμα και σε αθλήματα, όπως στο γκολφ. Ωστόσο, το κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V —ή αλλιώς Grade 5— που είναι σήμερα το πιο κοινό στη βιομηχανία, φαίνεται να μην αξιοποιεί πλήρως τις δυνατότητες που προσφέρει η προσθετική κατασκευή.

Ο Ryan Brooke, ερευνητής στο πεδίο της προσθετικής κατασκευής στο RMIT, δηλώνει χαρακτηριστικά ότι η χρήση παραδοσιακών κραμάτων περιορίζει τη δυναμική αυτής της τεχνολογίας.

Η 3D εκτύπωση επιτρέπει πιο γρήγορη, λιγότερο σπαταλημένη και περισσότερο προσαρμοσμένη παραγωγή. Ωστόσο, συνεχίζουμε να βασιζόμαστε σε κράματα παλαιού τύπου, τα οποία δεν μας επιτρέπουν να εκμεταλλευτούμε πλήρως αυτές τις δυνατότητες. Είναι σαν να έχουμε φτιάξει αεροπλάνο και να το οδηγούμε ακόμα στους δρόμους.

Το πρόβλημα με το Ti-6Al-4V είναι η μικροδομή του όταν κατασκευάζεται μέσω 3D printing. Συγκεκριμένα, παρουσιάζει κολονοειδείς κόκκους, δηλαδή κόκκους που ευθυγραμμίζονται σε μία μόνο κατεύθυνση, με αποτέλεσμα να είναι μηχανικά ισχυρό σε έναν άξονα αλλά αδύναμο ή ασταθές σε άλλους. Αυτό περιορίζει την αξιοπιστία των παραγόμενων εξαρτημάτων και απαιτεί την προσθήκη επιπλέον στοιχείων για βελτίωση.

Σε απάντηση αυτού του προβλήματος, η ομάδα του Brooke εργάστηκε επί τρία χρόνια για να αναπτύξει μια μεθοδολογία που προβλέπει με ακρίβεια τη μικροδομή των μετάλλων που παράγονται μέσω προσθετικής κατασκευής. Το νέο αυτό πλαίσιο βασίζεται σε τρεις βασικές παραμέτρους για να προβλέψει το πώς θα διαμορφωθούν οι κόκκοι κατά την στερεοποίηση του κράματος:

• Το θερμοκρασιακό εύρος μη ισορροπημένης στερεοποίησης (ΔTs), που περιγράφει την περιοχή θερμοκρασιών όπου το μέταλλο περνά από την υγρή στην στερεή φάση εκτός ισορροπίας.
• Ο συντελεστής περιορισμού ανάπτυξης (Q), που δείχνει τον ρυθμό με τον οποίο εμφανίζεται υπέρψυξη στην αρχή της στερεοποίησης.
• Η παράμετρος υπέρψυξης (P), που εκτιμά την ικανότητα δημιουργίας νέων κόκκων καθ’ όλη τη διάρκεια της στερεοποίησης.

Με βάση τις πειραματικές μελέτες, διαπιστώθηκε ότι η παράμετρος P είναι η πλέον αξιόπιστη για την επιλογή των στοιχείων που πρέπει να περιλαμβάνει ένα κράμα ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή μικροδομή, κάτι που συνεπάγεται βελτιωμένες ιδιότητες αντοχής και ανθεκτικότητας.

Αν και στο επιστημονικό άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature δεν περιλαμβάνεται λεπτομερής περιγραφή του νέου κράματος, καθώς οι ερευνητές σχεδιάζουν να το εμπορευματοποιήσουν, η ομάδα υποστηρίζει ότι είναι 29% φθηνότερο στην παραγωγή από τα συμβατικά κράματα τιτανίου. Επιπλέον, το νέο υλικό παρουσιάζει ομοιόμορφη δομή, αυξημένη αντοχή και μεγαλύτερη ολκιμότητα, δηλαδή ικανότητα να παραμορφώνεται χωρίς να θραύεται.

Αυτό μπορεί να αποδειχθεί κρίσιμο για εφαρμογές σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, η ιατρική και η ναυπηγική, όπου η απόδοση των υλικών είναι καθοριστική. Παράλληλα, η μείωση του κόστους παραγωγής ενδέχεται να καταστήσει τα κράματα τιτανίου πιο προσιτά, ενισχύοντας τη διείσδυσή τους σε νέες αγορές και επιταχύνοντας την υιοθέτηση της προσθετικής κατασκευής σε μαζική κλίμακα.

[via]