گروهی از محققان دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران موفق به توسعه روشی جدید برای طراحی سطوح کمینه متناوب به منظور طراحی ریزساختارها با ناهمسان‌گردی قابل کنترل شدند.
به گزارش روز شنبه گروه علم و آموزش از دانشگاه تهران، نتایج این تحقیق در نشریه معتبر Materials & Design (با ضریب تأثیر ۹.۴) در انتشارات الزویر منتشر شده و مقاله ارائه شده در ۱۸ ماه اخیر، ۲۱ بار در نشریات معتبر استناد شده است.
سطوح کمینه متناوب سه‌گانه (TPMS) در سال‌های اخیر به دلیل ویژگی‌های هندسی منحصربه‌فرد آنها مورد توجه قرار گرفته‌اند که آنها را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله مهندسی پزشکی، مدیریت حرارتی، جذب انرژی و سازه‌های سبک مناسب می‌سازد.
ساختارهای TPMS با ویژگی‌های هندسی پیچیده خود که در سه بُعد متناوب هستند، مشخص می‌شوند و آنها را از مواد معمولی متمایز می‌کنند. این ساختارها از نظر ریاضی، دارای انحنای میانگین صفر در هر نقطه از سطح هستند که باعث می‌شود بسیار نرم و بدون گوشه‌های تیز باشند. ساختارهای TPMS خواص مکانیکی ناهمسان‌گردی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که خواص آنها بسته به جهتی که در آن اندازه‌گیری می‌شوند، متفاوت است. در نتیجه رفتار مکانیکی آنها در همه جهات یکنواخت نیست که می‌تواند کاربرد عملی آنها را محدود کند. به عنوان مثال، در کاربردهایی که جهت اعمال بار نامشخص است، این ویژگی یک عامل نامساعد به حساب می‌آید و طراحی را پیچیده یا ناممکن می‌سازد؛ بنابراین کنترل ناهمسان‌گردی در طراحی این مواد اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند.
مقاله“On the directional elastic modulus of the TPMS structures and a novel hybridization method to control anisotropy” به ارائه راه‌حلی پرداخته است که می‌تواند به شکل مؤثری به کنترل میزان ناهمسان‌گردی کمک کند.
شکل ۱: تعدادی از ساختارهای TPMS
برای پرداختن به این چالش، نویسندگان دو روش هیبریدسازی جدید را پیشنهاد می‌کنند که شامل ترکیب دو ساختار مختلف TPMS برای ایجاد یک ساختار جدید با خواص همسان‌گرد است. این روش‌ها 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 می‌شود و بلعکس. سپس دو روش هیبریدسازی جدید مورد استفاده قرار گرفته است. در روش اول یک ساختار لایه‌ای درنظرگرفته شده است که لایه‌های فرد (اول، سوم، پنجم و …)، یکی از ساختارهای نوع اول و لایه‌های زوج، یکی از ساختارهای از نوع دیگر (مکمل) است.
در روش دوم، ساختارها به گونه‌ای هیبرید شده‌اند که ساختار نوع اول به شکل یک کره در یک فضای مکعبی قرار گرفته است و فضای باقیمانده توسط ساختار نوع دوم پر شده است.
شکل ۲: تعدادی از ساختارهای هیبرید شده
یکی از چالش‌های اصلی در طراحی این ساختارهای هیبرید، چگونگی ایجاد گذار بین دو ساختار است. اتصال بین دو ساختار در ناحیه گذار باید به خوبی برقرار شود تا احتمال هر گونه تمرکز تنش و ضعف استحکامی ناشی از هیبریدسازی کاهش پیدا کند. همچنین افزایش طول ناحیه ترنزیشن باعث می‌شود تا هندسه ساختار در آن ناحیه از ساختارهای پایه‌ای TPMS انحراف زیادی پیدا کرده و خواص هندسی مطلوب TPMS ها 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.
مدل‌سازی این ساختارها با استفاده از اسکریپت پایتون در نرم‌افزار آباکوس و با استفاده از یک مدل‌سازی هندسی وکسلی و فرایند همگن‌سازی خواص نیز با استفاده از یک کد ++ C انجام شده است. مدل‌سازی وکسلی علی‌رغم اینکه از نظر محاسباتی کمی هزینه بیشتری را دارد، اما به دلیل مدل‌سازی هندسی ساده‌تر، عدم نیاز به مش و همچنین پس‌پردازش سریع‌تر، در این مطالعه ترجیح داده شده است.
نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که با انتخاب مناسب نسبت ترکیب دو ساختار، می‌توان ساختارهایی همسان‌گرد ایجاد کرد. همچنین در ساختارهای هیبریدی نوع لایه‌ای، به دلیل اینکه نوع ترکیب در راستای لایه‌ها با دو راستای جانبی متفاوت است، اندکی ناهمسان‌گردی در خواص مشاهده می‌شود. با این حال در نوع هیبرید کروی، با توجه به اینکه ترکیب در همه راستاها به یک شکل صورت می‌گیرد، خواص یکنواخت‌تری مشاهده می‌شود.
شکل ۳: مدول الاستیک جهتی در ساختارهای پایه و هیبرید شده
