การพิมพ์ 3 มิติ เซรามิกที่ได้แรงบันดาลใจจากโอริกามิ โค้งงอได้โดยไม่แตก

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮิวส์ตันได้พัฒนาโครงสร้างเซรามิกที่สามารถโค้งงอได้โดยไม่แตกหัก ด้วยการผสานศิลปะพับกระดาษแบบญี่ปุ่นเข้ากับวิทยาศาสตร์วัสดุสมัยใหม่ นวัตกรรมนี้อาจเปลี่ยนโฉมวงการต่าง ๆ ตั้งแต่อวกาศไปจนถึงการแพทย์

ในความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่หลอมรวมการออกแบบแบบดั้งเดิมเข้ากับวิทยาศาสตร์วัสดุสมัยใหม่ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮิวส์ตันได้พัฒนาเซรามิกแบบใหม่ที่สามารถโค้งงอภายใต้แรงกดดันโดยไม่แตกหัก โดยเทคโนโลยีนี้อาจนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวาง ตั้งแต่การสร้างแขนขาเทียมทางการแพทย์ ไปจนถึงชิ้นส่วนที่ทนแรงกระแทกในอุตสาหกรรมการบินและหุ่นยนต์ ซึ่งต้องการวัสดุที่ทั้งเบาและแข็งแรงเป็นพิเศษ

เซรามิกในอดีตมักมีชื่อเสียงในด้านความเปราะบาง แตกหักได้ง่ายเมื่อถูกแรงกด ทำให้ยากต่อการใช้งานในสภาวะที่ต้องรับแรงกระแทกหรือปรับตัวได้ แต่สถานการณ์นั้นอาจกำลังเปลี่ยนแปลง เมื่อทีมนักวิจัยจาก UH นำโดย ศาสตราจารย์มักซุด ราห์มาน(Maksud Rahman) แห่งภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและอากาศยาน และ ดร.เอ็มดี ชาเจดูล ฮุก ทาฮูร์ นักวิจัยหลังปริญญาเอก ได้แสดงให้เห็นว่า รูปทรงที่ได้แรงบันดาลใจจากโอริกามิร่วมกับการเคลือบพอลิเมอร์ที่อ่อนนุ่ม สามารถเปลี่ยนวัสดุเซรามิกที่เปราะบางให้กลายเป็นโครงสร้างที่แข็งแรงและยืดหยุ่นได้ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Composites and Hybrid Materials เมื่อไม่นานมานี้

เซรามิกมีประโยชน์อย่างมหาศาล ทั้งเข้ากันได้ทางชีวภาพ เบา และทนทานในเงื่อนไขที่เหมาะสม แต่ปัญหาคือ เมื่อมันพัง มักจะพังแบบฉับพลันและรุนแรง เป้าหมายของเราคือการออกแบบให้การพังทลายนั้นกลายเป็นกระบวนการที่นุ่มนวลและปลอดภัยมากขึ้น – ราห์มานกล่าว

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนั้น ทีมวิจัยได้ใช้การพิมพ์ 3 มิติในการสร้างโครงสร้างเซรามิกตามรูปแบบพับกระดาษ Miura-ori – ซึ่งเป็นเทคนิคการพับกระดาษให้สามารถหดพื้นที่ได้โดยยังคงความแบนอยู่ – จากนั้นจึงเคลือบโครงสร้างด้วยพอลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นและปลอดภัยต่อร่างกาย ผลลัพธ์ที่ได้คือ โครงสร้างเซรามิกที่สามารถรับแรงกดจากทิศทางต่าง ๆ ได้ โดยยังคงความยืดหยุ่นและสามารถคืนรูปได้ ในขณะที่โครงสร้างเซรามิกที่ไม่เคลือบจะแตกหรือหักทันทีเมื่อได้รับแรงกด

รูปทรงแบบโอริกามิช่วยให้เราปรับตัวเชิงกลได้พอลิเมอร์ที่เคลือบอยู่ก็ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในระดับที่พอเหมาะ เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุแตกหักอย่างเฉียบพลัน – ทาฮูร์กล่าว

นักวิจัยได้ทดสอบโครงสร้างดังกล่าวทั้งภายใต้แรงกดแบบคงที่และแรงกดแบบเป็นรอบ พร้อมยืนยันผลด้วยการจำลองทางคอมพิวเตอร์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างที่เคลือบพอลิเมอร์มีความทนทานต่อแรงกดมากกว่า โดยเฉพาะในทิศทางที่เซรามิกดั้งเดิมมักอ่อนแอ

โอริกามิไม่ใช่แค่ศิลปะ แต่เป็นเครื่องมือในการออกแบบที่ทรงพลัง ซึ่งสามารถเปลี่ยนวิธีคิดในการแก้ไขปัญหาในทั้งด้านวิศวกรรมและการแพทย์ งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า รูปแบบการพับสามารถปลดล็อกคุณสมบัติใหม่ ๆ ให้กับวัสดุที่เปราะบางที่สุดได้ – ราห์มานกล่าว

Image Source: University of Houston

Source : Revolution in Aerospace and Medicine: Flexing Ceramic Structures Engineered by UH Researchers

Other :

• DMG Mori เปิดตัว ‘INH 63’ แมชชีนนิงเซ็นเตอร์ 5 แกน รองรับงานตัดเฉือนที่ซับซ้อน
• 3 ทิศทางในกระแส DIGITAL TRANSFORMATION | TOOLMAKERS
• ตลาดขวดเป่าขึ้นรูปในยุโรปกำลังขยายตัว | TOOLMAKERS

About The Author