Struktur cetakan 3D menyusut saat dipanaskan
Metamaterial yang berlawanan dengan intuisi dapat menyebabkan terciptanya sirkuit elektronik yang tahan panas
Hampir semua bahan padat, dari karet dan kaca hingga granit dan baja, mengembang saat dipanaskan. Hanya dalam kasus yang sangat jarang bahan tertentu bertentangan dengan sistem dan berkontraksi saat dipanaskan. Misalnya, air dingin dikompresi jika dipanaskan dari 0 hingga 4 derajat Celcius, sebelum mulai mengembang.Insinyur di MIT dan University of Southern California telah menambahkan barang baru ke kelas ini. Sebuah tim yang dipimpin oleh Nicholas X. Fang, seorang profesor teknik mesin di MIT, menciptakan struktur berbentuk bintang yang terdiri dari balok-balok yang terhubung, atau gulungan. Struktur seukuran gula batu ini dengan cepat menyusut ketika dipanaskan hingga 282 derajat Celcius.Peternakan terdiri dari bahan konvensional yang mengembang saat dipanaskan. Fang dan rekannya menyadari bahwa jika mereka digabungkan dengan cara khusus, mereka akan dapat menarik struktur ke dalam, memaksanya menyusut seperti mainan bola Goberman.Para peneliti percaya bahwa kreasi mereka milik "metamaterial" - material komposit, konfigurasi yang memiliki sifat aneh dan sering berlawanan dengan intuisi, biasanya tidak ditemukan di alam.Dalam beberapa kasus, mungkin tidak berguna untuk menekan struktur ini sendiri, tetapi ketahanannya terhadap ekspansi pada pemanasan. Bahan-bahan tersebut dapat digunakan, misalnya, dalam pembuatan chip komputer yang mengalami deformasi akibat pemanasan yang berkepanjangan."Papan sirkuit tercetak dapat memanas saat CPU sedang berjalan, dan pemanasan dapat memengaruhi kinerja mereka," kata Fang. "Karena itu, [ketika mendesain] perlu mempertimbangkan properti ini dengan cermat."Bahan untuk Pencetakan
Pada pertengahan 90-an, para ilmuwan mengusulkan struktur yang mungkin secara teoritis struktur yang dapat memberi mereka properti "ekspansi termal negatif" (NTE). Untuk melakukan ini, diperlukan untuk membuat struktur kisi tiga dimensi dari dua bahan dengan koefisien ekspansi yang berbeda ketika dipanaskan. Ketika seluruh struktur dipanaskan, satu bahan harus mengembang lebih cepat dan menarik yang lain ke dalam, sehingga ukuran keseluruhan struktur akan berkurang."Pekerjaan teoretis telah berbicara tentang bagaimana struktur seperti itu dapat melanggar batasan biasa ekspansi termal," kata Fang. - Tetapi pada waktu itu [para ilmuwan] dibatasi oleh teknologi menciptakan sesuatu. Dan di sini kami melihat peluang besar untuk produksi mikro menunjukkan konsep ini. "Laboratorium Fang mengembangkan teknologi pencetakan 3D yang disebut stereolithografi mikro, yang menggunakan cahaya untuk mencetak struktur yang sangat kecil dalam resin cair."Sekarang kita dapat menggunakan sistem stereolithografi mikro untuk membuat metamaterial termomekanis yang akan membuat yang tidak mungkin menjadi mustahil sebelumnya," kata Spadachchini, direktur Pusat Pengembangan dan Produksi Bahan. "Mereka memiliki sifat termomekanis yang tidak dapat dicapai untuk material biasa.""Kita bisa membuat printer inkjet untuk mencetak dan menyembuhkan bahan yang berbeda dengan cara yang sama," kata Fang.Terinspirasi oleh platform teoretis, Fang dan rekannya mencetak bangunan kecil berbentuk bintang tiga dimensi dari palang yang saling berhubungan. Masing-masing terbuat dari bahan padat dan perlahan-lahan mengembang yang mengandung tembaga, atau dari polimer yang elastis dan mengembang dengan cepat. Palang internal elastis, dan yang eksternal solid."Dengan memposisikan komponen grid dengan benar, kami akan memastikan bahwa bahkan dengan setiap ekstensi palang, mereka menarik seluruh grid ke dalam," kata Fang."Kami bekerja dengan pengimbang suhu," kata Wang. "Bahan-bahan ini memiliki koefisien ekspansi termal yang berbeda, sehingga dengan meningkatnya suhu mereka berinteraksi satu sama lain dan menarik ke dalam, sehingga volume total struktur menurun."Ruang untuk eksperimen
Para peneliti menguji struktur komposit mereka dengan menempatkannya dalam botol kaca dan perlahan-lahan menaikkan suhunya, dari suhu kamar hingga 282 derajat. Ditemukan bahwa pada awalnya struktur mempertahankan bentuknya, dan kemudian secara bertahap membungkuk ke dalam dan berkontraksi."Ini menyusut 0,6%," kata Fang. Ini tampaknya bukan pencapaian besar, tetapi Fang menambahkan bahwa "fakta kompresi itu sendiri mengesankan." Untuk sebagian besar aplikasi praktis, menurut Fang, desainer lebih suka struktur yang tidak berkembang ketika dipanaskan.Selain eksperimen mereka, para peneliti menciptakan model komputer untuk menghitung interaksi dari crossbar yang terhubung, jarak antara mereka dan tingkat ekspansi. Kompresi struktur dikendalikan oleh dua parameter utama - ukuran palang individual dan kekakuan relatifnya, yang secara langsung berkaitan dengan laju ekspansi termal."Kami mengembangkan metode penyetelan dengan mengatur komponen individu dalam model komputer dengan kekakuan dan kecepatan ekspansi yang berbeda, dan kami dapat membuat palang atau bagian tertentu dari struktur menyimpang atau berkembang sesuai kebutuhan," kata Fang. "Ada ruang untuk bereksperimen dengan bahan lain, seperti karbon nanotube, yang lebih ringan dan lebih kuat." "Hasil yang menarik dapat dicapai dengan bereksperimen di laboratorium dengan struktur yang berbeda."Source: https://habr.com/ru/post/id398571/
All Articles