3D tlačená titánová štruktúra ukazuje nadprirodzenú silu

„Metamateriál“ vytlačený na 3D tlačiarni, ktorý sa môže pochváliť úrovňami pevnosti vzhľadom na hmotnosť, ktoré sa bežne v prírode alebo výrobe nevidia, by mohol zmeniť spôsob, akým vyrábame všetko od lekárskych implantátov až po časti lietadiel alebo rakiet.

Vedúci štúdie Jordan Noronha drží kocku s titánovou mriežkou. Image Credit: Univerzita RMIT

Výskumníci z RMIT University vytvorili nový metamateriál – termín používaný na opis umelého materiálu s jedinečnými vlastnosťami, ktoré sa v prírode nepozorujú – z bežnej zliatiny titánu.

Ale je to unikátny dizajn mriežkovej štruktúry materiálu, ktorý bol nedávno odhalený v časopise Advanced Materials, ktorý z neho robí niečo iné, len nie bežné: testy ukazujú, že je o 50 % pevnejší ako ďalšia najsilnejšia zliatina s podobnou hustotou používaná v aplikáciách v letectve.

Zlepšenie prírodného dizajnu

Mriežkové konštrukcie z dutých vzpier boli pôvodne inšpirované prírodou: silné duté rastliny ako lekno Viktória alebo odolný organový koral (Tubipora musica) nám ukázali cestu, ako spojiť ľahkosť a silu.

Ako však vysvetľuje vážený profesor Ma Qian z RMIT, desaťročia pokusov o replikáciu týchto dutých „bunkových štruktúr“ v kovoch boli frustrované bežnými problémami vyrobiteľnosti a zaťažením, ktoré sa sústreďuje na vnútorné oblasti dutých vzpier, čo vedie k predčasným poruchám.

"V ideálnom prípade by stres vo všetkých zložitých bunkových materiáloch mal byť rovnomerne rozložený," vysvetlil Qian.

"Pre väčšinu topológií je však bežné, že menej ako polovica materiálu nesie hlavne tlakové zaťaženie, zatiaľ čo väčší objem materiálu je štrukturálne nevýznamný."

Kovová 3D tlač poskytuje bezprecedentné inovatívne riešenia týchto problémov.

Posunutím dizajnu 3D tlače na svoje limity tím RMIT optimalizoval nový typ mriežkovej štruktúry na rovnomernejšie rozloženie napätia, čím sa zvýšila jeho pevnosť alebo štrukturálna účinnosť.

"Navrhli sme dutú rúrkovú mrežovú štruktúru, ktorá má vo vnútri tenký pás. Tieto dva prvky spolu ukazujú silu a ľahkosť, akú spolu v prírode ešte nikto nevidel," povedal Qian.

"Efektívnym zlúčením dvoch komplementárnych mriežkových štruktúr na rovnomerné rozloženie stresu sa vyhneme slabým miestam, kde sa zvyčajne sústreďuje stres."

Sila poháňaná laserom

Tím 3D vytlačil tento dizajn v Advanced Manufacturing Precinct spoločnosti RMIT pomocou procesu nazývaného fúzia laserového prášku, kde sa vrstvy kovového prášku roztavia na miesto pomocou vysokovýkonného laserového lúča.

Testovanie ukázalo, že vytlačený dizajn – kocka z titánovej mriežky – bola o 50 % pevnejšia ako liata horčíková zliatina WE54, najpevnejšia zliatina s podobnou hustotou používaná v aplikáciách v letectve. Nová štruktúra účinne znížila na polovicu množstvo napätia sústredeného na neslávne známe slabé miesta mriežky.

Dizajn s dvojitou mriežkou tiež znamená, že akékoľvek trhliny sú odklonené pozdĺž konštrukcie, čím sa ďalej zvyšuje húževnatosť.

Vedúci autor štúdie a kandidát na doktorandské štúdium RMIT Jordan Noronha povedal, že by túto štruktúru mohli vyrobiť v mierke niekoľkých milimetrov alebo niekoľkých metrov pomocou rôznych typov tlačiarní.

Táto možnosť tlače spolu s pevnosťou, biokompatibilitou, koróziou a tepelnou odolnosťou z neho robí sľubného kandidáta pre mnohé aplikácie od medicínskych zariadení, ako sú kostné implantáty, až po časti lietadiel alebo rakiet.

„V porovnaní s najpevnejšou dostupnou zliatinou horčíka, ktorá sa v súčasnosti používa v komerčných aplikáciách vyžadujúcich vysokú pevnosť a nízku hmotnosť, sa ukázalo, že náš titánový metamateriál s porovnateľnou hustotou je oveľa pevnejší alebo menej náchylný na trvalú zmenu tvaru pri zaťažení tlakom, nehovoriac o tom, že je uskutočniteľnejší. výroby,“ povedal Noronha.

Tím plánuje ďalej vylepšovať materiál pre maximálnu efektivitu a skúmať aplikácie v prostrediach s vyššími teplotami.

Hoci je v súčasnosti odolný voči teplotám až 350 stupňov, veria, že by mohol byť vyrobený tak, aby odolal teplotám až 600 stupňov pomocou tepelne odolnejších titánových zliatin, pre aplikácie v leteckom priemysle alebo hasičských dronoch.

Keďže technológia na výrobu tohto nového materiálu ešte nie je široko dostupná, jej prijatie v priemysle môže chvíľu trvať.

"Tradičné výrobné procesy nie sú praktické na výrobu týchto zložitých kovových metamateriálov a nie každý má vo svojom sklade stroj na fúziu laserového prášku," povedal.

"Avšak, ako sa technológia vyvíja, stane sa dostupnejšou a proces tlače sa stane oveľa rýchlejším, čo umožní väčšiemu publiku implementovať naše vysoko pevné multitopologické metamateriály do ich komponentov. Dôležité je, že kovová 3D tlač umožňuje jednoduchú výrobu čistého tvaru." pre skutočné aplikácie."

Technický riaditeľ Advanced Manufacturing Precinct spoločnosti RMIT, vážený profesor Milan Brandt, uviedol, že tím víta spoločnosti, ktoré chcú spolupracovať na mnohých potenciálnych aplikáciách.

„Naším prístupom je identifikovať výzvy a vytvárať príležitosti prostredníctvom spoločného dizajnu, výmeny znalostí, učenia sa na pracovisku, riešenia kritických problémov a prekladu výskumu,“ povedal.