Material Nano 3D Cetak yang Dirancang AI: Lebih Kuat dari Baja, Lebih Ringan dari Busa

Masa depan perjalanan luar angkasa dan banyak industri lainnya akan bergantung pada pengembangan material yang lebih kuat, lebih ringan, dan lebih mudah didapatkan oleh umat manusia. Dari baja hingga serat karbon, hingga material nano‑arsitektur paling canggih saat ini, pencarian untuk menciptakan komponen ringan namun tahan lama tetap menjadi prioritas di berbagai bidang ilmu. Untungnya, tim peneliti yang dipimpin oleh Fakultas Ilmu Terapan & Teknik Universitas Toronto baru-baru ini memperkenalkan proses baru yang menunjukkan hasil menjanjikan. Inilah yang perlu Anda ketahui.

Material Nano-Arsitektur

Dalam hal kinerja tinggi, material nano‑arsitektur termasuk yang terkuat. Mereka memanfaatkan berbagai bentuk pada skala nano untuk menciptakan tingkat ketahanan yang tinggi. Bentuk‑bentuk ini diulang ratusan atau ribuan kali. Konfigurasi ini menghasilkan kondisi beban unik dan efek samping pada skala nano yang menambah kekuatannya,
Secara khusus, sejak penemuannya, telah ada banyak versi material nano‑arsitektur, masing‑masing menggunakan bentuk dan ukuran yang berbeda, seperti kisi, gyroid, sarang lebah, dan geometri hibrida. Meskipun material ini terbukti memberikan kekuatan tambahan, ada beberapa kelemahan teknologi ini hingga saat ini.

Masalah pada Material Nano-Arsitektur Saat Ini

Salah satu kelemahan utama material nano‑arsitektur saat ini adalah adanya titik kegagalan keras dan patah. Struktur barang‑barang ini serta penggunaan bentuk kisi standar menyebabkan sudut dan persimpangan mengalami stres tambahan. Akibatnya, distribusi stres yang tidak tepat dapat menyebabkan kegagalan katastrofik mendadak pada node dan sambungan.

Studi Material Nano-Arsitektur

Menyadari keterbatasan ini, sekelompok peneliti menciptakan algoritma pembelajaran mesin unik untuk meneliti dan mengembangkan arsitektur baru yang mungkin. Studi yang berjudul Ultrahigh Specific Strength by Bayesian Optimization of Carbon Nanolattices¹ dipublikasikan di Advanced Materials.

Studi ini merupakan pertama kalinya pembelajaran mesin diterapkan pada penciptaan material nano‑arsitektur. Secara khusus, algoritma AI menggabungkan berbagai aspek ilmu material, kimia, dan mekanika untuk memodelkan secara akurat kinerja konfigurasi, material, dan bentuk yang berbeda. Tujuan penelitian ini adalah memanfaatkan efek “lebih kecil lebih kuat” yang diberikan oleh nanomaterial.

Sumber – University of Toronto’s Faculty of Applied Science & Engineering

Tim memulai operasinya dengan memanfaatkan algoritma pembelajaran mesin optimisasi Bayesian. Algoritma AI ini ideal dibandingkan opsi lain karena menggunakan lebih sedikit titik data. Algoritma pembelajaran mesin optimisasi Bayesian hanya memerlukan 400 titik data dibandingkan ribuan yang dibutuhkan oleh algoritma lain.

Algoritma tersebut menganalisis dan menguji berbagai struktur 3D kompleks. Ia meninjau titik data penting seperti lokasi stres dan tekanan patah sambil merekam karakterisasi resolusi tinggi dari struktur atom karbon piroletik. Data tersebut kemudian digunakan untuk mengoptimalkan struktur baru guna meningkatkan rasio kekuatan terhadap berat lebih lanjut.

Uji Material Nano-Arsitektur

Untuk menguji teori mereka, para insinyur mencetak 3D empat desain generatif kisi kubik berpusat (CFCC) dengan bentuk balok yang dioptimalkan menggunakan printer 3D polimerisasi dua‑photon yang berada di Centre for Research and Application in Fluidic Technologies (CRAFT). Perangkat ini memungkinkan polimerisasi multi‑fokus multi‑photon. Secara khusus, subjek uji yang dicetak terdiri dari 18,75 juta sel kisi berukuran nanometer.
Secara khusus, kisi tersebut menggunakan struktur polimer akrilik yang kemudian dipanaskan untuk mengikat silang polimer menjadi karbon aromatik kaca. Langkah ini mengurangi ukuran keseluruhan sebesar 20%. Selanjutnya, berbagai uji tekanan dilakukan.

Hasil Uji Material Nano-Arsitektur

Pengujian membuktikan bahwa material nano‑arsitektur baru menunjukkan peningkatan kekuatan berkat optimisasi elemen balok menggunakan pembelajaran mesin, karbon piroletik dengan kemurnian tinggi, dan kemampuan menciptakan diameter strut pada skala nano. Secara khusus, desain baru tersebut memiliki kekuatan antara 118% hingga 68% lebih tinggi dibandingkan pendahulunya.
Efisiensi struktural mereka juga meningkat. Pengujian menunjukkan distribusi stres dan berat yang lebih baik serta rasio kekuatan‑terhadap‑berat yang lebih tinggi dibandingkan desain asli. Secara khusus, material dan desain baru menggandakan kekuatan model sebelumnya, mencapai .03 MPa m3 kg−1 pada kepadatan rendah.

Manfaat Material Nano-Arsitektur

Manfaat penggunaan desain yang dioptimalkan dengan Bayesian dan karbon piroletik nano‑arsitektur dapat dilihat dengan mudah. Material ini memberikan kekuatan lebih, berat lebih ringan, dan dapat disesuaikan untuk memenuhi beragam kebutuhan.

Kekuatan

Nanomaterial dan struktur memberikan material ultra‑ringan ini rasio kekuatan‑terhadap‑berat yang lebih tinggi daripada titanium. Oleh karena itu, material ini dapat meningkatkan berbagai tugas industri dan komersial dalam beberapa tahun mendatang.

Berat Minimal

Para peneliti menyimpulkan bahwa ciptaan mereka seberat styrofoam, meskipun mengungguli baja dalam uji daya tahan dan kekuatan. Kunci desain ultra‑ringan adalah penggunaan material dan komponen dengan densitas lebih rendah. Secara khusus, pengurangan diameter strut nanolattice menjadi 300 nm menghasilkan karbon berdaya tahan tinggi yang unik dan melampaui pendahulunya.

Keberlanjutan

Material baru ini dapat membantu mengurangi jejak karbon tinggi dari penerbangan di industri lain yang bergantung pada material komposit ringan. Pengurangan material dalam proses manufaktur secara langsung menghasilkan keberlanjutan yang lebih baik.

Kustomisasi

Proses pencetakan yang digunakan untuk membuat material ini memungkinkan mereka dibangun untuk menyesuaikan hampir semua kasus penggunaan, bentuk, atau ukuran. Fleksibilitas tambahan ini menciptakan peluang baru bagi insinyur untuk mengembangkan sistem yang lebih baik dengan kinerja lebih tinggi di berbagai spektrum.

Peneliti Material Nano-Arsitektur

Penelitian material nano‑arsitektur dilakukan di Fakultas Ilmu Terapan & Teknik Universitas Toronto. Penelitian dipimpin oleh Profesor Tobin Filleter (MIE). Ia dibantu oleh Peter Serles, Profesor Seunghwa, dan Jinwook Yeo dari Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) di Daejeon, Korea Selatan.
Penelitian ini merupakan upaya kolaboratif yang melibatkan Karlsruhe Institute of Technology (KIT) di Jerman, Massachusetts Institute of Technology (MIT), dan Rice University di Amerika Serikat, di bawah program International Doctoral Clusters.

Aplikasi Material Nano-Arsitektur

Ada beberapa aplikasi potensial untuk teknologi ini. Dari dirgantara hingga industri otomotif, terdapat permintaan besar akan material ringan namun tahan lama. Berikut beberapa contoh aplikasi material nano‑arsitektur baru ini.

Militer

Militer terus mencari material ringan untuk segala hal mulai dari pembuatan kendaraan hingga pembuatan pelindung tubuh yang lebih efektif. Terobosan teknologi ini dapat membantu prajurit masa depan bertahan di zona perang dengan lebih efektif dan melakukan lebih banyak hal.

Otomotif

Kenaikan kendaraan listrik (EV) memicu perlombaan untuk menemukan material yang paling ringan, paling tahan lama, dan terjangkau. Alasan pencarian ini adalah karena masa pakai baterai EV secara langsung terkait dengan rasio berat‑terhadap‑daya kendaraan. Mengurangi berat material konstruksi EV akan menghasilkan waktu tempuh yang jauh lebih lama.

Dirgantara

Material Nano‑Arsitektur telah lama menjadi komponen ultra‑ringan dalam aplikasi dirgantara. Material ini ideal untuk membuat komponen pesawat, helikopter, dan pesawat luar angkasa. Desain ringan dan struktur komposit ini memungkinkan insinyur meningkatkan rasio berat‑terhadap‑daya‑angkat tanpa mengorbankan keselamatan.

Perusahaan yang Dapat Mengintegrasikan Material Nano-Arsitektur dan Mendapat Manfaat

Tidak kekurangan perusahaan yang dapat memperoleh manfaat dari material yang lebih kuat dan lebih ringan. Perusahaan‑perusahaan ini mencakup seluruh pasar, mulai dari produsen industri hingga pengembangan perlengkapan pelindung dan peralatan olahraga. Berikut satu perusahaan yang dapat mengintegrasikan teknologi ini hari ini dan melihat manfaat langsung.

TransDigm Group

TransDigm (TDG ) memasuki pasar pada tahun 1993. Perusahaan ini didirikan di Cleveland, OH, sebagai produsen suku cadang pesawat. Perusahaan dengan cepat memperluas operasi dan penawarannya yang membantu menjadi pemain utama di pasar.

Hari ini, TransDigm merupakan salah satu produsen terkemuka yang dikenal luas dalam komponen, sistem, dan subsistem dirgantara yang sangat direkayasa. Perusahaan ini berhasil tetap menjadi kekuatan kompetitif melalui inovasi dan beberapa akuisisi tingkat tinggi.

Memperkenalkan material nano‑arsitektur yang ringan dan tahan lama yang dikembangkan oleh peneliti akan membantu perusahaan menciptakan opsi yang lebih tahan lama. Pengurangan berat tambahan dan peningkatan kekuatan akan menghasilkan nilai lebih bagi konsumen dan kinerja lebih baik bagi produsen.

TransDigm saat ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $77,1 Miliar. Perusahaan dianggap sebagai “hold” oleh kebanyakan analis karena posisinya dan rekam jejak yang terbukti. Mereka yang mencari saham manufaktur dirgantara yang diakui dan mapan sebaiknya mempertimbangkan untuk meninjau TDG.

Material Nano-Arsitektur Memiliki Potensi untuk Mengubah Permainan

Ketika Anda meninjau peningkatan signifikan yang dibawa material ringan ini ke berbagai industri, jelas bahwa mereka merupakan pengubah permainan. Penggunaan material yang lebih ringan dan lebih kuat akan meningkatkan banyak pasar dan memberikan insinyur kemampuan tambahan. Oleh karena itu, Anda harus memberi penghargaan kepada insinyur atas upaya mereka.
Pelajari tentang Nanotek lainnya Di sini

Referensi Studi:

^{1. Serles, P., Yeo, J., Haché, M., Guerra Demingos, P., Kong, J., Kiefer, P., Dhulipala, S., Kumral, B., Jia, K., Yang, S., Feng, T., Portela, C. M., Wegener, M., Howe, J., Singh, C. V., Zou, Y., Ryu, S., & Filleter, T. (2025). Ultrahigh specific strength by Bayesian optimization of carbon nanolattices. Advanced Materials, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}