Wydrukowana w 3D struktura tytanu pokazuje nadprzyrodzoną siłę

Wydrukowany w 3D „metamateriał” charakteryzujący się wytrzymałością w stosunku do masy normalnie niespotykanej w przyrodzie lub procesie produkcyjnym może zmienić sposób, w jaki wytwarzamy wszystko, od implantów medycznych po części samolotów i rakiet.

Kierownik badania Jordan Noronha trzyma tytanową kostkę siatkową. Źródło obrazu: Uniwersytet RMIT

Naukowcy z Uniwersytetu RMIT stworzyli nowy metamateriał – termin używany do opisania sztucznego materiału o unikalnych właściwościach niespotykanych w naturze – z powszechnego stopu tytanu.

Jednak to wyjątkowa konstrukcja siatkowa materiału, ujawniona niedawno w czasopiśmie Advanced Materials, sprawia, że ​​nie jest on powszechny: testy pokazują, że jest on o 50% mocniejszy niż kolejny najmocniejszy stop o podobnej gęstości stosowany w zastosowaniach lotniczych.

Udoskonalanie projektu natury

Konstrukcje kratowe wykonane z pustych w środku rozpórek były pierwotnie inspirowane naturą: mocne rośliny o wydrążonych łodygach, takie jak lilia wodna Wiktorii lub wytrzymały koral piszczałkowy (Tubipora musica), pokazały nam sposób na połączenie lekkości i siły.

Jednakże, jak wyjaśnia wybitny profesor Ma Qian z RMIT, dziesięciolecia prób odtworzenia tych pustych w środku „struktur komórkowych” w metalach zostały udaremnione przez powszechne problemy związane z wykonalnością i naprężeniami obciążeniowymi skupiającymi się na wewnętrznych obszarach pustych rozpórek, co prowadzi do przedwczesnych awarii.

„W idealnym przypadku naprężenia we wszystkich złożonych materiałach komórkowych powinny być równomiernie rozłożone” – wyjaśnił Qian.

„Jednak w przypadku większości topologii często mniej niż połowa materiału wytrzymuje głównie obciążenie ściskające, podczas gdy większa objętość materiału jest strukturalnie nieistotna”.

Druk 3D w metalu zapewnia niespotykane dotąd innowacyjne rozwiązania tych problemów.

Wysuwając do granic możliwości projekt druku 3D, zespół RMIT zoptymalizował nowy typ struktury kratowej, aby bardziej równomiernie rozkładać naprężenia, zwiększając jej wytrzymałość lub wydajność strukturalną.

„Zaprojektowaliśmy pustą rurową strukturę kratową, w której biegnie cienki pas. Te dwa elementy razem ukazują siłę i lekkość, jakich nigdy wcześniej nie widziano razem w naturze” – powiedział Qian.

„Dzięki skutecznemu łączeniu dwóch uzupełniających się struktur sieciowych w celu równomiernego rozłożenia naprężeń unikamy słabych punktów, w których zwykle skupiają się naprężenia”.

Siła napędzana laserem

Zespół wydrukował ten projekt w 3D w zaawansowanym ośrodku produkcyjnym RMIT, stosując proces zwany laserowym stapianiem złoża proszku, podczas którego warstwy proszku metalicznego są wtapiane na miejsce za pomocą wiązki lasera o dużej mocy.

Testy wykazały, że wydrukowany projekt – tytanowa kostka siatkowa – był o 50% mocniejszy niż odlewany stop magnezu WE54, najmocniejszy stop o podobnej gęstości stosowany w zastosowaniach lotniczych. Nowa konstrukcja skutecznie zmniejszyła o połowę ilość naprężeń skupionych w niesławnych słabych punktach siatki.

Konstrukcja z podwójną kratą oznacza również, że wszelkie pęknięcia są odchylane wzdłuż konstrukcji, co dodatkowo zwiększa wytrzymałość.

Główny autor badania i doktorant RMIT, Jordan Noronha, powiedział, że można wykonać tę konstrukcję w skali od kilku milimetrów do kilku metrów przy użyciu różnych typów drukarek.

Możliwość drukowania w połączeniu z wytrzymałością, biokompatybilnością, korozją i odpornością na ciepło sprawiają, że jest to obiecujący kandydat do wielu zastosowań, od wyrobów medycznych, takich jak implanty kości, po części samolotów i rakiet.

„W porównaniu z najmocniejszym dostępnym lanym stopem magnezu stosowanym obecnie w zastosowaniach komercyjnych wymagających dużej wytrzymałości i lekkości, nasz metamateriał tytanowy o porównywalnej gęstości okazał się znacznie mocniejszy lub mniej podatny na trwałą zmianę kształtu pod obciążeniem ściskającym, nie wspominając już o bardziej wykonalnym produkcji” – powiedziała Noronha.

Zespół planuje dalsze udoskonalanie materiału w celu uzyskania maksymalnej wydajności i zbadanie zastosowań w środowiskach o wyższych temperaturach.

Choć obecnie jest odporny na temperatury do 350 stopni, uważają, że można go wytworzyć tak, aby wytrzymywał temperatury do 600 stopni, stosując bardziej żaroodporne stopy tytanu, do zastosowań w lotnictwie i dronach strażackich.

Ponieważ technologia wytwarzania tego nowego materiału nie jest jeszcze powszechnie dostępna, jej przyjęcie w przemyśle może zająć trochę czasu.

„Tradycyjne procesy produkcyjne nie są praktyczne w przypadku wytwarzania tych skomplikowanych metamateriałów metalowych, a nie każdy ma w swoim magazynie laserową maszynę do stapiania proszku” – powiedział.

„Jednak w miarę rozwoju technologii stanie się ona bardziej dostępna, a proces drukowania stanie się znacznie szybszy, co umożliwi szerszej publiczności wdrożenie w swoich komponentach naszych wytrzymałych metamateriałów o wielu topologiach. Co ważne, druk 3D z metalu umożliwia łatwe wytwarzanie kształtów netto do rzeczywistych zastosowań.”

Dyrektor techniczny Zaawansowanego Okręgu Produkcyjnego RMIT, wybitny profesor Milan Brandt, powiedział, że zespół powitał firmy chcące współpracować nad wieloma potencjalnymi zastosowaniami.

„Nasze podejście polega na identyfikowaniu wyzwań i tworzeniu możliwości poprzez wspólne projektowanie, wymianę wiedzy, uczenie się w miejscu pracy, krytyczne rozwiązywanie problemów i tłumaczenie wyników badań” – powiedział.