Memajukan pengeditan gen dengan varian CRISPR / Cas9 baru - ScienceDaily
Teknologi

Fisika yang indah mengatur interaksi materi-energi yang kompleks – ScienceDaily


Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Tao Sun, profesor ilmu dan teknik material di Universitas Virginia, telah membuat dua penemuan yang dapat memperluas manufaktur aditif di ruang angkasa dan industri lain yang mengandalkan bagian logam yang kuat.

Manufaktur aditif telah berkontribusi pada produksi pesawat selama bertahun-tahun, seperti yang dilaporkan oleh Association for Manufacturing Technology. Namun, manufaktur aditif juga menghasilkan cacat pada mikrostruktur bagian jadi, membatasi perannya pada fabrikasi pekerjaan saluran, komponen interior, dan bagian tidak penting lainnya. Pembuatan aditif suku cadang yang diatur keselamatan akan membantu industri mencapai aspirasinya untuk manajemen rantai pasokan yang efisien dan stabil, serta penghematan bahan bakar dan pengurangan emisi yang menyertai pesawat yang lebih ringan.

Tim dan kolaborator Sun telah menemukan mengapa kerusakan struktural terjadi selama pembuatan aditif suku cadang yang terbuat dari paduan titanium berkekuatan tinggi dan ringan yang banyak digunakan dalam aplikasi ruang angkasa. Mereka menyajikan peta proses – cetak biru yang digunakan mesin untuk membuat bagian – untuk membantu produsen menghindari menghasilkan cacat selama teknik pembuatan aditif umum yang disebut fusi bed bubuk laser.

Makalah tim, Ketidakstabilan Kritis di Ujung Lubang Kunci Bergerak Menghasilkan Porositas dalam Peleburan Laser, diterbitkan dalam edisi 27 November Ilmu. Cang Zhao, yang merupakan post-doc di kelompok penelitian Sun di Argonne National Laboratory dan sekarang anggota fakultas di Departemen Teknik Mesin di Universitas Tsinghua di Beijing, pertama kali menulis makalah dengan rekan-rekan dari Argonne, Universitas Carnegie Mellon, Universitas dari Utah dan UVA. Penulis kedua, Niranjan D. Parab, juga salah satu post-docs Sun’s Argonne National Laboratory, yang sejak itu bergabung dengan Intel.

Tim peneliti berfokus pada dua kondisi terpenting dari proses pembuatan aditif, daya laser dan kecepatan pemindaian. Bagaimana kedua kondisi ini ditetapkan dan berinteraksi ditangkap dalam peta proses kecepatan-daya. Mirip dengan peta konvensional, peta kecepatan daya menetapkan garis batas antara area untuk bekerja dan area yang harus dihindari.

Peta kecepatan daya dapat dibagi menjadi zona baik dan tiga zona buruk. Jika pabrikan tetap berada di zona yang baik, bangunan kemungkinan akan menghasilkan suku cadang berkualitas tinggi secara konsisten. Dua dari zona buruk mudah dikenali. Salah satunya diwakili oleh kurangnya fusi, dibuktikan dengan bubuk yang tidak dilebur karena kepadatan daya laser yang kurang. Zona buruk kedua diwakili oleh balling, ketika satu garis tercetak menggulung dengan sendirinya, menandakan bahwa laser bergerak terlalu cepat.

Sun dan tim fokus di zona empat. Di zona ini, bagian-bagian keluar dari proses pembangunan dengan lubang kecil, cacat struktural yang disebut porositas. Lubang kecil ini muncul di dalam material, sehingga sulit dilihat dan dikendalikan. “Anda bisa mencetak beberapa garis uji, dan Anda masih tidak akan tahu dengan memeriksa permukaan bagian jika porositas terjadi di bawahnya,” kata Sun.

Cacat porositas tetap menjadi tantangan untuk aplikasi yang peka terhadap kelelahan, seperti sayap pesawat terbang. Beberapa porositas dikaitkan dengan cekungan uap dalam dan sempit yang disebut lubang kunci, yang terjadi di bawah kondisi peleburan laser kecepatan pindai rendah dan daya tinggi.

Sun dan tim menemukan bagaimana porositas terjadi dan mampu mengkarakterisasi transformasi material selama proses pencetakan 3D dengan resolusi spasial dan temporal yang sangat tinggi. Mereka menggunakan teknik pencitraan, yang disebut pencitraan sinar-X synchrotron kecepatan tinggi, yang memantau pembentukan pori-pori bingkai-demi-bingkai selama proses pencetakan laser. Gambar ditangkap pada interval mikrodetik, jauh melampaui apa yang dapat ditangkap oleh mata manusia atau yang dapat diproses oleh otak manusia.

Pencitraan sinar-X synchrotron kecepatan tinggi adalah satu-satunya metode yang tersedia untuk mengukur dan menjelaskan secara kualitatif apa yang terjadi ketika sinar laser terpapar ke bedak logam. Selain bubuk leleh, laser juga menguapkan sebagian logam. Uap berkecepatan tinggi yang keluar dari permukaan kolam lelehan menciptakan rongga kecil yang disebut lubang kunci.

Pembentukan dan ukuran lubang kunci merupakan fungsi daya laser dan kapasitas material untuk menyerap energi laser. Jika dinding lubang kunci stabil, ini meningkatkan penyerapan laser material di sekitarnya dan meningkatkan efisiensi pembuatan laser. Namun, jika dinding goyah atau runtuh, material mengeras di sekitar lubang kunci, menjebak kantong udara di dalam lapisan material yang baru terbentuk. Hal ini membuat bahan lebih rapuh dan kemungkinan besar akan retak di bawah tekanan lingkungan.

Matahari menggambarkan batas antara zona baik dan buruk, zona porositas mulus dan tajam. “Kondisi laser yang sangat sempit, kombinasi spesifik dari kekuatan dan kecepatan, memisahkan bagian yang baik dan sebagian dengan pori-pori. Hanya melangkah melintasi garis antara zona baik dan buruk akan menentukan apakah bagian Anda membawa cacat struktural ini,” kata Sun. Berdasarkan fisika batas yang halus dan tajam, Sun tahu bahwa subproses sedang dimainkan.

Tim akhirnya menemukan bahwa interaksi laser-logam menghasilkan gelombang akustik.

Sun menjelaskan bahwa gelombang akustik dapat berinteraksi dengan gelembung gas dalam cairan dengan berbagai cara. Didorong oleh gaya akustik, gelembung dapat bergerak, berubah bentuk, pecah, dan bahkan runtuh. Dalam studi ini, tim menemukan bahwa dalam kondisi laser di dekat batas zona porositas, gaya akustik memainkan peran penting dalam mendorong pori menjauh dari ujung lubang kunci. Tanpa pembentukan gelombang akustik di kolam lelehan, pori-pori akan ditarik kembali ke lubang kunci.

“Ini agak mengejutkan,” kata Sun. “Laser pulsa pendek diyakini sebagai sumber untuk menghasilkan gelombang akustik dalam cairan, tetapi kami mengamati efek akustik saat menggunakan laser gelombang kontinu. Rupanya, masih banyak masalah menarik yang membutuhkan lebih banyak penelitian.”

Dua penemuan yang dijelaskan dalam makalah Sains berdampak langsung pada pembuatan logam aditif laser pada bidang penelitian dasar dan terapan. Batas zona porositas yang terdefinisi dengan baik di peta kecepatan-daya memberikan keyakinan lebih bagi praktisi fusi bed bubuk laser untuk mengidentifikasi kondisi pencetakan yang baik. Sementara itu, pengamatan baru yang diberikan oleh pencitraan sinar-X synchrotron membuka area penelitian multidisiplin yang menarik yang akan menarik lebih banyak ilmuwan untuk melakukan studi mendasar tentang pembuatan aditif laser.

Tim peneliti Sun di UVA akan terus menerapkan teknik karakterisasi mutakhir untuk studi mendalam tentang proses dan bahan pembuatan aditif. Teknologi manufaktur aditif menjanjikan untuk sepenuhnya merevolusi cara kita membuat sesuatu.

“Manufaktur aditif hanya dapat mencapai potensi penuhnya setelah komunitas penelitian mengumpulkan semua fisika indah yang mengatur interaksi materi-energi kompleks yang terlibat dalam proses pencetakan,” kata Sun.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney