توسعه روشی تازه برای طراحی ریزساختارها به وسیله محققان دانشگاه تهران - آسمان فارس

سطوح کمینه متناوب سه گانه (TPMS) در سال های اخیر به علت ویژگی های هندسی منحصربه فردشان مورد توجه قرار گرفته اند که آنها را برای طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله مهندسی پزشکی، مدیریت حرارتی، جذب انرژی و سازه های سبک مناسب می سازد.

ساختارهای TPMS با ویژگی های هندسی پیچیده خود که در سه بعد متناوب هستند تعیین می شوند و آنها را از مواد معمولی متمایز می نماید. این ساختارها از نظر ریاضی، دارای انحنای میانگین صفر در هر نقطه از سطح شان هستند که باعث می گردد بسیار نرم و بدون گوشه های تیز باشند. ساختارهای TPMS خواص مکانیکی ناهمسانگردی از خود نشان می دهند، به این معنی که خواص آن ها بسته به جهتی که در آن اندازه گیری می گردد فرق دارد. در نتیجه رفتار مکانیکی آنها در همه جهات یکنواخت نیست که می تواند کاربرد عملی آنها را محدود کند. به عنوان مثال، در کاربردهایی که جهت اعمال بار ناتعیین است، این ویژگی یک عامل نامساعد به شمار میرود و طراحی را پیچیده و یا ناممکن می سازد. بنابراین کنترل ناهمسانگردی در طراحی این مواد اهمیت بسیار زیادی پیدا می نماید.

مقالهOn the directional elastic modulus of the TPMS structures and a novel hybridization method to control anisotropy به ارائه راه حلی پرداخته است که می تواند به شکل مؤثری به کنترل اندازه ناهمسانگردی یاری کند.

شکل 1: تعدادی از ساختارهای TPMS

برای پرداختن به این چالش، نویسندگان دو روش هیبریدسازی نو را پیشنهاد می نمایند که شامل ترکیب دو ساختار مختلف TPMS برای ایجاد یک ساختار نو با خواص همسانگرد می باشد. این روش ها در ابتدا شامل شناسایی دو ساختار TPMS با خواص ناهمسانگردی مکمل است، به این معنی که جهتی که یکی از ساختارها در آن راستا مدول بیشینه دارد، برای ساختار دیگر به مدول کمینه منتج می گردد و بلعکس. سپس دو روش هیبریدسازی نو مورد استفاده قرار گرفته است. در روش اول یک ساختار لایه ای در نظر گرفته شده است که لایه های فرد (اول، سوم، پنجم و …)، یکی از ساختارهای نوع اول و لایه های زوج، یکی از ساختارهای از نوع دیگر (مکمل) می باشد.

در روش دوم، ساختارها به گونه ای هیبرید شده اند که ساختار نوع اول به شکل یک کره در یک فضای مکعبی قرار گرفته است و فضای به جامانده به وسیله ساختار نوع دوم پر شده است.

شکل 2: تعدادی از ساختارهای هیبرید شده

یکی از چالش های اصلی در طراحی این ساختارهای هیبرید، چگونگی ایجاد گذار بین دو ساختار است. اتصال بین دو ساختار در ناحیه گذار باید به خوبی برقرار گردد تا احتمال هر گونه تمرکز تنش و ضعف استحکامی ناشی از هیبریدسازی کاهش پیدا کند. بعلاوه افزایش طول ناحیه ترنزیشن باعث می گردد تا هندسه ساختار در آن ناحیه از ساختارهای پایه ای TPMS انحراف زیادی پیدا نموده و خواص هندسی مطلوب TPMSها از بین برود. بدین منظور در این طراحی پارامترهای انتقال و سرعت ترنزیشین تعریف شده است و برای ترکیب هر دو ساختار TPMS، مقادیر بهینه گزارش شده است.

مدل سازی این ساختارها با استفاده از اسکریپت پایتون در نرم افزار آباکوس و با استفاده از یک مدل سازی هندسی وکسلی و فرایند همگن سازی خواص نیز با استفاده از یک کد ++ C اجرا شده است. مدل سازی وکسلی علی رغم اینکه از نظر محاسباتی کمی هزینه بیشتری را دارد، اما به علت مدل سازی هندسی ساده تر، عدم احتیاج به مش و بعلاوه پس پردازش سریع تر، در این مطالعه ترجیح داده شده است.

نتایج این مطالعه نشان می دهد که با انتخاب مناسب نسبت ترکیب دو ساختار، می توان ساختارهایی همسانگرد ایجاد کرد. بعلاوه در ساختارهای هیبریدی نوع لایه ای، به علت اینکه نوع ترکیب در راستای لایه ها با دو راستای جانبی فرق دارد، اندکی ناهمسانگردی در خواص مشاهده می گردد. با این حال در نوع هیبرید کروی، با توجه به اینکه ترکیب در همه راستاها به یک شکل صورت می گیرد، خواص یکنواخت تری مشاهده می گردد.