بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین کارایی ساختارهای سلولی، تولید ساختارهای سبک با چگالی نسبی پایین و جاذب انرژی بهصورت کنترلشده میباشد. فناوری ذوب گزینشی به کمک لیزر این امکان را فراهم میآورد که ساختارهای سلولی فلزی منظم با هندسهای پیچیده برای رسیدن به خواص مکانیکی بهینه تولید کرد. در این مقاله، خواص مکانیکی دو ساختار سلولی پیشرفته Gyroid P و الماس ساختهشده از فولاد زنگنزن 316L تحت تست فشار مورد ارزیابی قرار گرفتند. ساختار 732000 Gyroid P نیوتن بر کیلوگرم و ساختار الماس 679000 نیوتن بر کیلوگرم قابلیت تحمل نیرو در استحکام تسلیم را از خود نشان دادند.
مقدمه
ساختارهای سلولی1 فلزی دستهبندی منحصربهفردی از مواد هستند که شامل ترکیبی از خواص مکانیکی فلزها با جهتگیریهای هندسی هوشمند برای رسیدن به سختی بیشتر، نسبت استحکام به وزن بالاتر، ظرفیت جذب انرژی بیشتر و عایقهای حرارتی و صدایی مناسبی هستند
رشد سریع کاربرد آنها در فیلترها، غشاها، داربستهای استخوانی، ساندویچ پنلها و غیره منجر به تحقیقات گسترده بر روی این نوع ساختارها شده است.
عدم توانایی تولید ساختارهای سلولی به روش سنتی با یک شبکه متخلخل با اتصال زیاد، نظم بالا، قابلیت تولید دوباره و کنترل خواص ساختارها، توجه محققان را به توسعه روشهای مدرن تولید معطوف کردهاست، که روشهای ساخت افزودنی2 یا پرینت سهبعدی ازجمله مهمترین این روشها میباشند. استفاده از روش ساخت افزودنی، امکان کنترل بر روی توزیع ماده در ساختار را بوجود میآورد، که این امر در روشهای مرسوم تولید این مواد امکانپذیر نیست. نحوه توزیع ماده در ساختار سلولی میتواند بر خواص مکانیکی این مواد اثرگذار باشد.
فرآیند ذوب گزینشی با لیزر 3 - SLM - یکی از روشهای ساخت افزودنی است که برای ساخت قطعه نهایی فلزی بهصورت مستقیم از اطلاعات مدل سهبعدی قطعه یا فایل CAD استفاده میکند. در این روش قطعات با اضافه شدن پودر فلز در هر لایه تولید میشوند. هر لایه سطح مقطع نازکی از قطعه است که از فایل سهبعدی کامپیوتری به دست میآید. هر چه ضخامت لایهها کمتر باشد، قطعه به شکل نهایی نزدیکتر است - شکل .[4] - 1 فناوری SLM این امکان را فراهم میآورد که ساختارهای سلولی فلزی منظم با هندسهای کارآمد با کاهش اتلاف ماده برای رسیدن به خواص مکانیکی بهینه تولید کرد.
چهار خاصیت اصلی ساختارهای سلولی فلزی در مقایسه با مواد حجیم عبارتاند از: نسبت استحکام به وزن بالا، چگالی نسبی پایین آنها که این ساختارها را به موادی سبک تبدیل میکند، سختی پایین این مواد بهعنوان جاذبهای انرژی در دستگاههای ضربهگیر و نسبت سختی به وزن بالا مناسب بهعنوان هستههای صفحات ساندویچی میباشد. این ویژگیها امکان تولید سازههای سبکوزن را فراهم آورده و به کاهش مواد اولیه موردنیاز، انرژی و آلودگیهای متناسب با آنها میانجامد. بهعنوان یک مثال کمی، پنل های تولیدشده توسط شرکت آلیمکس4 آلمان حدود %50 سبکتر از نمونههای چگال متناظر هستند، حال آنکه استحکام آنها بهندرت بیش از %8 کاهش مییابد.
روش تحقیق
طراحی ساختارهای سبک سلولی: شکل -2الف نشاندهنده سلول واحد ساختار الماس است. در این ساختار، هر گوشه مکعب به وسط سه وجه مکعب کناری متصل میشود. در این ساختار، میلههای به طول L، در مکعبی به طول 2L قرار میگیرند. برخلاف سلول الماس که بر مبنای میله های تیر مانند مستقیم است و هستهای چندوجهی دارد، سلول واحدGyroid P - شکل -2ب - ، دارای میلههایی با مقطع دایرهای و هسته کرهای است. شیب تحت زاویه میلههای دایرهای این سلول، حول هسته کرهای بهصورت پیوسته تغییر میکند که باعث میشود لایهها بهصورت تدریجی با تغییر بسیار کم در سطح و موقعیت بین دولایه مجاور رشد کند. این بدین معنا است که در حین فرآیند ساخت SLM، لایه ساختهشده قبلی، میتواند نگهدارنده برای لایه بعدی باشد، از اینرو ساختارهای سلولی Gyroid را خود نگهدارنده می نامند. معادله 1 توصیفی سهبعدی از سطوح Gyroid P است که در آن تخلخل به کمک پارامتر a به دست میآید.
معادله 1
ماده: ماده انتخابشده برای تولید ساختارهای سلولی، فولاد ضدزنگ 316L با اندازه ذرات میانگین 45 میکرون، اتمیزه شدهگازی و از شرکت سندویک اسپری1 میباشد. شکل 3 تصویر میکروسکوپ الکترونی از پودر فلز را نشان میدهد.
ساخت: تولید تمامی ساختارهای سلولی توسط دستگاه پرینتر سهبعدی فلزی NOURA M100 ساخت شرکت صنایع نورا لایه نگار با بهرهگیری از تکنولوژی SLM انجام میگیرد. در شکل 4 میتوان ساختارهای تولیدشده را مشاهده کرد.
نتیجه و بحث
بررسی رفتار ساختارهای سلولی: در هر دو ساختار ناحیه الاستیک با تغییر شکل یکنواخت میلهها همراه است - شکل -5الف - . پیشروی تغییر شکل بهصورت لایهبهلایه و با فروریزی کامل یک طبقه همراه است. نوسانات تنش با شکست هر لایه و ایجاد کمانش میلهها رخ می دهد و حد تنش را برای هر شکست خاص تعیین میکند. تا زمانی که میله ها تغییر شکل محوری - در جهت بارگذاری - تحمل میکنند، تغییرات شدیدتری با آزاد شدن انرژی در هنگام فروریختن لایه مشاهده میشود. این نشان میدهد که ظرفیت تحمل بار برای سازه، با تغییر شکل همراه با کمانش میلههای عمودی است
