3D-printet titanstruktur viser overnaturlig styrke

Et 3D-printet 'metamateriale', der kan prale af styrkeniveauer for vægt, der normalt ikke ses i naturen eller fremstillingen, kan ændre, hvordan vi laver alt fra medicinske implantater til fly- eller raketdele.

Studieleder Jordan Noronha holder titanium gitterterningen. Billedkredit: RMIT University

RMIT University-forskere skabte det nye metamateriale - et udtryk, der bruges til at beskrive et kunstigt materiale med unikke egenskaber, der ikke observeres i naturen - fra almindelig titanlegering.

Men det er materialets unikke gitterstrukturdesign, som for nylig blev afsløret i tidsskriftet Advanced Materials, der gør det til alt andet end almindeligt: ​​test viser, at det er 50 % stærkere end den næststærkeste legering med lignende densitet, der bruges i rumfartsapplikationer.

Forbedring af naturens design

Gitterstrukturer lavet af hule stivere var oprindeligt inspireret af naturen: stærke hulstilkede planter som Victoria åkanden eller den hårdføre orgelpibekoral (Tubipora musica) viste os vejen til at kombinere lethed og styrke.

Men som RMIT's Distinguished Professor Ma Qian forklarer, er årtiers forsøg på at replikere disse hule 'cellulære strukturer' i metaller blevet frustreret af de almindelige problemer med fremstillingsevne og belastningsspænding, der koncentrerer sig om de indvendige områder af de hule stivere, hvilket har ført til for tidlige fejl.

"Ideelt set bør stressen i alle komplekse cellulære materialer spredes jævnt," forklarede Qian.

"Men for de fleste topologier er det almindeligt, at mindre end halvdelen af ​​materialet hovedsageligt bærer trykbelastningen, mens det større materialevolumen er strukturelt ubetydeligt."

Metal 3D-print giver hidtil usete innovative løsninger på disse problemer.

Ved at skubbe 3D-printdesignet til dets grænser optimerede RMIT-teamet en ny type gitterstruktur for at fordele spændingen mere jævnt, hvilket forbedrede dens styrke eller strukturelle effektivitet.

"Vi designede en hul rørformet gitterstruktur, der har et tyndt bånd, der løber inde i det. Disse to elementer viser sammen styrke og lethed, som aldrig før er set sammen i naturen," sagde Qian.

"Ved effektivt at fusionere to komplementære gitterstrukturer for at fordele stress jævnt, undgår vi de svage punkter, hvor stress normalt koncentreres."

Laserdrevet styrke

Teamet 3D printede dette design på RMITs Advanced Manufacturing Precinct ved hjælp af en proces kaldet laserpulverbedfusion, hvor lag af metalpulver smeltes på plads ved hjælp af en kraftig laserstråle.

Test viste, at det trykte design – en titanium gitterterning – var 50 % stærkere end støbt magnesiumlegering WE54, den stærkeste legering med lignende densitet, der bruges i rumfartsapplikationer. Den nye struktur havde effektivt halveret mængden af ​​stress koncentreret om gitterets berygtede svage punkter.

Det dobbelte gitterdesign betyder også, at eventuelle revner afbøjes langs strukturen, hvilket yderligere forbedrer sejheden.

Studiets hovedforfatter og RMIT ph.d.-kandidat Jordan Noronha sagde, at de kunne lave denne struktur i en skala fra flere millimeter eller flere meter i størrelse ved hjælp af forskellige typer printere.

Denne printbarhed sammen med styrken, biokompatibiliteten, korrosionen og varmebestandigheden gør den til en lovende kandidat til mange applikationer fra medicinsk udstyr såsom knogleimplantater til fly- eller raketdele.

"Sammenlignet med den stærkeste tilgængelige støbte magnesiumlegering, der i øjeblikket anvendes i kommercielle applikationer, der kræver høj styrke og letvægt, viste vores titaniummetamateriale med en sammenlignelig tæthed at være meget stærkere eller mindre modtagelige for permanent formændring under trykbelastning, for ikke at nævne mere gennemførligt for fremstilling," sagde Noronha.

Holdet planlægger at forfine materialet yderligere for maksimal effektivitet og udforske anvendelser i miljøer med højere temperaturer.

Selvom de i øjeblikket er modstandsdygtige over for temperaturer så høje som 350 grader, mener de, at det kunne laves til at modstå temperaturer op til 600 grader ved hjælp af mere varmebestandige titanlegeringer, til applikationer i rumfart eller brandslukning droner.

Da teknologien til at fremstille dette nye materiale endnu ikke er bredt tilgængelig, kan det tage noget tid at indføre det i industrien.

"Traditionelle fremstillingsprocesser er ikke praktiske til fremstilling af disse indviklede metalmetamaterialer, og ikke alle har en laserpulverbed-fusionsmaskine på deres lager," sagde han.

"Men efterhånden som teknologien udvikler sig, vil den blive mere tilgængelig, og udskrivningsprocessen vil blive meget hurtigere, hvilket gør det muligt for et større publikum at implementere vores højstyrke multi-topologi-metamaterialer i deres komponenter. Vigtigt er det, at metal 3D-print muliggør nem fremstilling af netform til rigtige applikationer."

Teknisk direktør for RMITs Advanced Manufacturing Precinct, den fremtrædende professor Milan Brandt, sagde, at holdet hilste virksomheder velkommen, der ønsker at samarbejde om de mange potentielle applikationer.

"Vores tilgang er at identificere udfordringer og skabe muligheder gennem kollaborativt design, videnudveksling, arbejdsbaseret læring, kritisk problemløsning og oversættelse af forskning," sagde han.