3D-печатный «метаматериал», обладающий такими уровнями прочности и веса, которые обычно не встречаются в природе или производстве, может изменить то, как мы делаем все: от медицинских имплантатов до деталей самолетов или ракет.

Исследователи из Университета RMIT создали новый метаматериал (термин, используемый для описания искусственного материала с уникальными свойствами , не наблюдаемыми в природе) из обычного титанового сплава.

Но именно уникальная конструкция решетчатой ​​структуры материала, недавно раскрытая в журнале Advanced Materials , делает его совсем не распространенным: испытания показывают, что он на 50% прочнее, чем следующий по прочности сплав аналогичной плотности, используемый в аэрокосмической промышленности.

Улучшение замысла природы

Решетчатые конструкции из полых распорок изначально были вдохновлены природой: сильные растения с полым стеблем, такие как кувшинка Виктория или выносливый органный коралл (Tubipora musica), показали нам, как сочетать легкость и прочность.

Однако, как объясняет заслуженный профессор RMIT Ма Цянь, десятилетия попыток воспроизвести эти полые « ячеистые структуры » в металлах терпели неудачу из-за общих проблем технологичности и нагрузки, концентрирующейся на внутренних участках полых стоек, что приводило к преждевременным выходам из строя.

«В идеале напряжение во всех сложных ячеистых материалах должно распределяться равномерно», — объяснил Цянь.

«Однако для большинства топологий обычно менее половины материала выдерживает в основном сжимающую нагрузку, в то время как больший объем материала структурно незначителен».

3D-печать металлом обеспечивает беспрецедентные инновационные решения этих проблем.

Доведя дизайн 3D-печати до предела, команда RMIT оптимизировала новый тип решетчатой ​​структуры, позволяющий более равномерно распределять нагрузку, повышая ее прочность или структурную эффективность.

«Мы разработали полую трубчатую решетчатую структуру, внутри которой проходит тонкая полоса. Вместе эти два элемента демонстрируют прочность и легкость, которые никогда раньше не встречались вместе в природе», — сказал Цянь.

«Эффективно объединяя две взаимодополняющие решетчатые структуры для равномерного распределения напряжения, мы избегаем слабых мест, где обычно концентрируется напряжение».

Лазерная сила

Команда напечатала эту конструкцию на 3D-принтере в Центре передового производства RMIT, используя процесс, называемый лазерным сплавлением в порошковом слое, при котором слои металлического порошка расплавляются на месте с помощью мощного лазерного луча.

Испытания показали, что напечатанная конструкция — куб из титановой решетки — на 50 % прочнее литого магниевого сплава WE54, самого прочного сплава аналогичной плотности, используемого в аэрокосмической промышленности. Новая структура фактически вдвое уменьшила количество напряжений, сосредоточенных в печально известных слабых местах решетки.

Конструкция с двойной решеткой также означает, что любые трещины отклоняются вдоль конструкции, что еще больше повышает прочность.

Ведущий автор исследования и доктор философии RMIT. Кандидат Джордан Норонья заявил, что они могут создать эту структуру размером от нескольких миллиметров до нескольких метров, используя различные типы принтеров.

Эта возможность печати, наряду с его прочностью, биосовместимостью, коррозионной и термостойкостью, делает его многообещающим кандидатом для многих применений, от медицинских устройств, таких как костные имплантаты, до деталей самолетов или ракет.

«По сравнению с самым прочным доступным литым магниевым сплавом, который в настоящее время используется в коммерческих целях, требующих высокой прочности и легкости, наш титановый метаматериал с сопоставимой плотностью оказался намного прочнее или менее подвержен необратимому изменению формы при сжимающей нагрузке, не говоря уже о том, что его легче перерабатывать. производство», — сказал Норонья.

Команда планирует и дальше совершенствовать материал для достижения максимальной эффективности и исследовать возможности его применения в условиях более высоких температур.

Несмотря на то, что в настоящее время он устойчив к температурам до 350 °C, они полагают, что он может выдерживать температуры до 600 °C, используя более жаропрочные титановые сплавы для применения в аэрокосмической или пожарной дронах.

Поскольку технология изготовления этого нового материала еще не широко доступна, ее внедрение в промышленность может занять некоторое время.

«Традиционные производственные процессы непрактичны для изготовления этих сложных металлических метаматериалов, и не у каждого есть на складе машина для лазерной сварки в порошковом слое », — сказал он.

«Однако по мере развития технологии она станет более доступной, а процесс печати станет намного быстрее, что позволит более широкой аудитории внедрять наши высокопрочные мультитопологические метаматериалы в свои компоненты. Важно отметить, что 3D-печать металлом позволяет легко формировать сетку. изготовление для реального применения».

Технический директор отдела передового производства RMIT, заслуженный профессор Милан Брандт, сказал, что команда приветствует компании, желающие сотрудничать по многим потенциальным приложениям.

«Наш подход заключается в выявлении проблем и создании возможностей посредством совместного проектирования, обмена знаниями, обучения на рабочем месте, решения важнейших проблем и перевода исследований», — сказал он.