Lợi ích của siêu vật liệu in 3D

Ứng dụng nhiều hơn với siêu vật liệu

Một trong những lợi ích chính của kỹ thuật sản xuất bồi đắp AM là khả năng giảm khối lượng của các bộ phận, tức là làm nhẹ. Đối với nhiều ứng dụng, chi phí tăng thêm của AM so với các phương pháp truyền thống được bù đắp trong suốt vòng đời của sản phẩm. Đối với các ứng dụng khác, trọng lượng nhẹ - chẳng hạn như sử dụng cấu trúc mạng - ít hoặc không ảnh hưởng đến chi phí trọn đời. Trong những trường hợp này, có thể nên xem xét các cấu trúc có thể mang lại nhiều lợi ích cho bộ phận bằng cách sử dụng siêu vật liệu. Lợi ích của siêu vật liệu in 3D bao gồm cấu trúc, nhiệt, âm thanh, v.v. 
Trong một siêu vật liệu, các khối xây dựng cấu thành được thiết kế và tối ưu hóa. Cấu trúc cuối cùng sau đó bao gồm các khối xây dựng cụ thể này.
 

Từ vật liệu thông thường đến siêu vật liệu

Ý tưởng về các vật liệu và cấu trúc nhân tạo vượt trội hơn những vật liệu và cấu trúc hiện đang tồn tại, cho đến gần đây, chỉ có trong lĩnh vực hư cấu. Tuy nhiên, trong hai mươi năm qua, những tiến bộ trong thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), mô phỏng và sản xuất đã cho phép các kỹ sư biến những cấu trúc này thành hiện thực.
Từ góc độ cấu trúc, siêu vật liệu có thể được sử dụng để tạo ra các đặc tính vật liệu cực cao trong khi vẫn duy trì các cấu trúc nhẹ. Các yếu tố cấu trúc như mạng tấm ô kín đã được chứng minh là gần với giới hạn lý thuyết về độ cứng của bất kỳ vật liệu nào.
Quá trình này sử dụng in 3D ở cấp độ vi mô được gọi là Ghi laser trực tiếp trùng hợp hai photon (TPP-DLW). 
 

Vật liệu phụ trợ

Một loại siêu vật liệu cấu trúc khác là mạng auxetic. Những cấu trúc này thể hiện tỷ lệ Poisson âm. Trong khoa học vật liệu, tỷ lệ Poisson là thước đo sự giãn nở hoặc co lại của vật liệu theo hướng vuông góc với hướng tải. Hầu hết các vật liệu rắn tự nhiên có tỷ lệ Poisson dương trong khoảng 0,2-0,3. Siêu vật liệu phụ trợ rất thú vị đối với các thiết kế vì chúng có thể được sử dụng cho một số ứng dụng bao gồm hấp thụ năng lượng trong áo giáp hoặc thiết bị thể thao bảo vệ, vận chuyển thuốc, ống đỡ động mạch hoặc bộ lọc.
 

Siêu vật liệu nhiệt

Lưới đã được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt thường xuyên. Các ứng dụng này có thể bao gồm các ứng dụng nhiệt truyền thống như bộ trao đổi nhiệt và tản nhiệt. Lý do cho điều này là các cấu trúc mạng tinh thể có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao. Trong tương lai, AM có thể được sử dụng cho các siêu vật liệu nhiệt thể hiện các tính chất nhiệt bất thường như giãn nở nhiệt không đổi hoặc âm. Hầu hết các vật liệu nở ra khi chúng được nung nóng. Tuy nhiên, với những siêu vật liệu này, chúng sẽ giữ nguyên kích thước chính xác hoặc thậm chí co lại khi bị nung nóng. Các cấu trúc này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng bao gồm các thiết bị có độ chính xác cao hoặc cho ăng-ten không gian, hệ thống quang học hoặc bộ truyền động nhiệt.
 

Siêu vật liệu âm thanh

Một cấu trúc khác do AM tạo ra là siêu vật liệu âm thanh. Siêu vật liệu âm thanh được sử dụng để điều khiển và kiểm soát sóng âm trong một cấu trúc. Chúng được quan tâm vì chúng có nhiều ứng dụng trong che giấu (cloaking), chụp ảnh (imaging), giảm nhiễu (noise reduction) và tăng cường âm thanh (enhancement). Thiết bị siêu vật liệu âm thanh do Tiến sĩ Fang và nhóm của ông tại Đại học Illinois tạo ra có thể được sử dụng để làm cho các vật thể ở trung tâm vô hình trước sóng siêu âm và sóng siêu âm dưới nước.

Ưu điểm của cấu trúc mạng

Ưu điểm chính của siêu vật liệu đa chức năng là khả năng đạt được các chức năng vượt xa những gì có thể có trong thế giới tự nhiên. Nếu chúng ta có thể mở khóa toàn bộ lợi thế mà siêu vật liệu có thể mang lại, chúng ta sẽ có thể thiết kế các thành phần và sản phẩm có đặc tính vượt xa những gì chúng ta có thể tạo ra cho đến nay.
Ngoài ra, khả năng kết hợp các cấu trúc này với in 3D có nghĩa là bạn có thể tận dụng các lợi thế của cấu trúc dạng tự do. Như với tất cả các cấu trúc siêu vật liệu, điều này có nghĩa là bạn có thể nhận được nhiều chức năng trong một thành phần duy nhất. Điều này đặc biệt thú vị đối với các ứng dụng mà không gian bị hạn chế. Chúng bao gồm hàng không vũ trụ, nơi bạn có thể muốn kết hợp giảm âm thanh vào bảng điều khiển tiêu chuẩn hoặc trong môn đua xe thể thao, nơi có không gian ở mức tối thiểu.
Tuy nhiên, nhiều ứng dụng của siêu vật liệu mới chỉ được chứng minh trong giới nghiên cứu. Có rất nhiều thách thức cần phải vượt qua trước khi chúng ta thấy các cấu trúc mạng đa chức năng được áp dụng trên nhiều loại sản phẩm có sẵn trên thị trường.
 

Những thách thức với siêu vật liệu in 3D

Thiết kế

Thiếu các công cụ thiết kế cho phép các nhà thiết kế tạo ra các cấu trúc siêu vật liệu quy mô lớn. Một lý do cho điều này là nhu cầu thiết kế các bộ phận lớn bao gồm nhiều yếu tố quy mô nhỏ. Hầu hết các hệ thống CAD điển hình sử dụng biểu diễn hình học được gọi là biểu diễn ranh giới hoặc BRep. Tốc độ xử lý loại hình học này rất chậm khi bạn đạt tới hàng nghìn khuôn mặt trong mô hình. Tuy nhiên, nhiều công ty hiện đang bao gồm các khả năng mô hình hóa tiềm ẩn trong các công cụ thiết kế của họ và những khả năng này cho phép hình học mở rộng quy mô đến mức độ phức tạp lớn hơn – giúp thiết kế thành phần siêu vật liệu trở nên khả thi.

Mô phỏng

Mô phỏng siêu vật liệu là một thách thức. Thông thường, các công cụ mô phỏng đa vật lý đắt tiền và yêu cầu chuyên môn để sử dụng. Hơn nữa, việc sử dụng các ô đơn vị quy mô nhỏ bên trong một cấu trúc lớn có thể dẫn đến mô phỏng cần nhiều dữ liệu.

Kích thước

Kích thước của các phần tử cấu thành của vật liệu xác định loại tần số mà siêu vật liệu có thể tương tác. Phổ âm thanh tự cho phép các siêu vật liệu được sản xuất bồi đắp dưới dạng bước sóng của sóng âm từ sóng siêu âm có thể nhỏ bằng micron đến tần số âm thanh có thể nghe được trên thang mét. Chúng phù hợp với các công nghệ sản xuất bồi đắp hiện có.
Ngược lại, bước sóng ánh sáng khả kiến ​​tồn tại trong khoảng 400-700 nanomet. Độ phân giải này thường nhỏ hơn độ phân giải của phần lớn các quy trình sản xuất bồi đắp, mà các kỹ thuật AM chuyên biệt hơn như TPP-DLW được sử dụng ở các quy mô này.
 

Kết luận

Trong tương lai, các cấu trúc mạng đa chức năng có thể thay đổi hoàn toàn các sản phẩm mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. Mặc dù chúng không phải là không có những thách thức, nhưng cấu trúc mạng tinh thể đã được chứng minh trong cả ứng dụng học thuật và công nghiệp. 

Nguồn: https://www.altair.com/