Сбогом на гайките и болтовете: 3D-отпечатани никел-титанови сплави обещават по-здрави конструкции

Използвайки 3D принтиране, авторите на новата разработка проектират и изработват активни взаимосвързващи метаповърхности чрез интегриране на сплави, по-специално никел-титан, които могат да възстановят първоначалната си форма след деформация при промяна на температурата.

Изследователи от Тексаския университет A&M и Националните лаборатории "Сандиа" са подобрили значително нова технология за свързване, наречена взаимосвързващи се метаповърхности (ILM - interlocking metasurface).

Тази технология има за цел да повиши здравината и стабилността на конструкциите в сравнение с традиционните методи като болтове и заварки.

Изследователите са постигнали това чрез използване на сплави с памет на формата (SMA - shape memory alloys).

ILM имат потенциала да трансформират дизайна на механичните съединения в производството на аерокосмически, роботизирани и биомедицински устройства.

Сплави с памет на формата

"Взаимосвързващите се метаповърхности (ILM) са на път да предефинират технологиите за съединяване в редица приложения, подобно на велкрото преди десетилетия", заявява д-р Ибрахим Караман (Ibrahim Karaman), професор и ръководител на катедрата по материалознание и инженерство в Тексас А&М.

"В сътрудничество с Националните лаборатории Sandia, първите разработчици на ILM, разработихме и изработихме ILM от сплави с памет на формата. Изследванията ни показват, че тези ILM могат да бъдат селективно изключвани и отново включвани при поискване, като същевременно се запазва постоянната здравина на съединението и структурната цялост."

Подобно на Лего или велкро, ILM позволяват съединяването на две тела, пренасяйки натоварването и ограничавайки движението. Досега този метод на свързване бе пасивен и изискваше сила за задействане.

Използвайки 3D принтиране, екипите проектират и изработват активни ILM чрез интегриране на сплави, по-специално никел-титан, които могат да възстановят първоначалната си форма след деформация при промяна на температурата.

Контролът на технологията на свързване чрез температурни промени открива нови възможности за интелигентни, адаптивни конструкции без загуба на здравина или стабилност и с увеличени възможности за гъвкавост и функционалност.

"Активните ILM имат потенциала да направят революция в проектирането на механични съединения в индустриите, изискващи прецизно и повтарящо се сглобяване и разглобяване", отбелязва Абделрахман Елсайед (Abdelrahman Elsayed), дипломиран асистент в катедрата по материалознание и инженерство в Тексас А&М.

Кредит: Materials & Design (2024). DOI: 10.1016/j.matdes.2024.113137

По-здрави конструкции

Практическите приложения включват проектиране на преконфигурируеми компоненти за аерокосмическо инженерство, където частите трябва да се сглобяват и разглобяват многократно.

Активните ILM могат също така да осигурят гъвкави и приспособими стави за роботи, които да подобрят функционалността им.

Възможността за адаптиране на импланти и протези към движенията на тялото и температурите в биомедицинските устройства би могла да предложи на пациентите по-добър вариант.

В настоящите открития е използван ефектът на възстановяване на формата на ILM чрез добавяне на топлина.

Изследователите се надяват да надградят тези открития, като използват ефекта на свръхеластичност на сплави с памет на формата за създаване на ILM, които могат да издържат на големи деформации и да се възстановяват незабавно при много високи нива на напрежение.

"Очакваме, че включването на сплави с памет на формата в ILM ще отключи множество бъдещи приложения, въпреки че остават няколко проблема", коментира Караман.

"Постигането на свръхпластичност в сложни 3D-принтирани ILM ще позволи локализиран контрол на структурната твърдост и ще улесни повторното свързване с големи блокиращи сили. Освен това очакваме тази технология да отговори на дългогодишните предизвикателства, свързани с техниките за свързване в екстремни среди. Ние сме силно ентусиазирани относно потенциала за трансформация на технологията ILM."

Справка: Abdelrahman Elsayed et al, Active interlocking metasurfaces enabled by shape memory alloys, Materials & Design (2024). DOI: 10.1016/j.matdes.2024.113137

Източник: Goodbye to nuts, bolts: 3D-printed nickel-titanium alloys promise stronger structures, Interesting Engineering

Още по темата

24/09/2024

Човекът

Как са успели през 19 век да изградят Кристалния дворец за 190 дни?

07/04/2022

Човекът

На тази дата през 1891 г. се ражда майстор Оле Кърк Кристиансен, създателят на Lego (видео)

20/04/2016

Технологии

Конструирана е подводна змия робот за проверка и ремонт (видео)

04/02/2015

Технологии

С какви проблеми са се сблъскали конструкторите на първия луноход и как са ги решили