3D отпечатана титаниева структура показва свръхестествена сила

3D отпечатан „метаматериал“, който може да се похвали с нива на здравина за тегло, които обикновено не се срещат в природата или производството, може да промени начина, по който правим всичко – от медицински импланти до самолетни или ракетни части.

Ръководителят на изследването Джордан Нороня държи титановия решетъчен куб. Кредит за изображение: Университет RMIT

Изследователи от университета RMIT създадоха новия метаматериал – термин, използван за описание на изкуствен материал с уникални свойства, които не се наблюдават в природата – от обикновена титанова сплав.

Но това е уникалният дизайн на решетъчната структура на материала, наскоро разкрит в списанието Advanced Materials, който го прави всичко друго, но не и обичаен: тестовете показват, че той е 50% по-здрав от следващата най-здрава сплав с подобна плътност, използвана в космическите приложения.

Подобряване на дизайна на природата

Решетъчните конструкции, изработени от кухи подпори, първоначално са били вдъхновени от природата: силни растения с кухи стъбла като водната лилия Виктория или издръжливия органичен корал (Tubipora musica) ни показаха начина да комбинираме лекота и здравина.

Въпреки това, както обяснява изтъкнатият професор Ма Чиан от RMIT, десетилетия на опити да се възпроизведат тези кухи „клетъчни структури“ в металите са били разочаровани от общите проблеми на технологичността и напрежението на натоварването, концентрирано върху вътрешните области на кухите подпори, което води до преждевременни повреди.

„В идеалния случай напрежението във всички сложни клетъчни материали трябва да бъде равномерно разпределено“, обясни Qian.

"Въпреки това, за повечето топологии е обичайно по-малко от половината от материала да понася основно натоварването на натиск, докато по-големият обем материал е структурно незначителен."

Металният 3D печат предоставя безпрецедентни иновативни решения на тези проблеми.

Чрез изтласкване на дизайна за 3D печат до неговите граници, екипът на RMIT оптимизира нов тип решетъчна структура, за да разпредели напрежението по-равномерно, повишавайки нейната здравина или структурна ефективност.

„Проектирахме куха тръбна решетъчна структура, която има тънка лента, преминаваща вътре в нея. Тези два елемента заедно показват сила и лекота, никога досега невиждани заедно в природата“, каза Qian.

„Чрез ефективно сливане на две допълващи се решетъчни структури за равномерно разпределение на напрежението, ние избягваме слабите точки, където напрежението обикновено се концентрира.“

Лазерно захранвана сила

Екипът отпечата 3D този дизайн в Advanced Manufacturing Precinct на RMIT, използвайки процес, наречен лазерно сливане на прахово легло, при което слоевете метален прах се разтопяват на място с помощта на мощен лазерен лъч.

Тестовете показаха, че отпечатаният дизайн – титанов решетъчен куб – е с 50% по-здрав от лятата магнезиева сплав WE54, най-здравата сплав с подобна плътност, използвана в космическите приложения. Новата структура ефективно намали наполовина количеството напрежение, концентрирано върху прословутите слаби места на решетката.

Дизайнът с двойна решетка също така означава, че всички пукнатини се отклоняват по протежение на структурата, което допълнително повишава здравината.

Водещият автор на изследването и докторант на RMIT Джордан Нороня каза, че могат да направят тази структура в мащаб от няколко милиметра или няколко метра с помощта на различни видове принтери.

Тази възможност за печат, заедно със здравината, биосъвместимостта, устойчивостта на корозия и топлина, го правят обещаващ кандидат за много приложения от медицински устройства като костни импланти до самолетни или ракетни части.

„В сравнение с най-здравата налична лята магнезиева сплав, използвана в момента в търговски приложения, изискващи висока якост и лекота, нашият титанов метаматериал със сравнима плътност беше показано, че е много по-здрав или по-малко податлив на постоянна промяна на формата при натоварване на натиск, да не говорим, че е по-осъществим за производство", каза Нороня.

Екипът планира допълнително да усъвършенства материала за максимална ефективност и да проучи приложенията в среда с по-висока температура.

Въпреки че в момента е устойчив на температури до 350 градуса, те вярват, че може да бъде направен да издържа на температури до 600 градуса, като се използват по-устойчиви на топлина титанови сплави за приложения в космическата авиация или противопожарни дронове.

Тъй като технологията за производство на този нов материал все още не е широко разпространена, приемането й от индустрията може да отнеме известно време.

„Традиционните производствени процеси не са практични за производството на тези сложни метални метаматериали и не всеки разполага с машина за сливане на лазерен прах в склада си“, каза той.

„Въпреки това, с развитието на технологията, тя ще стане по-достъпна и процесът на печат ще стане много по-бърз, позволявайки на по-голяма аудитория да внедри нашите високоякостни метаматериали с много топология в техните компоненти. Важното е, че металният 3D печат позволява лесно производство на мрежова форма за реални приложения."

Техническият директор на Advanced Manufacturing Precinct на RMIT, уважаемият професор Милан Бранд, каза, че екипът приветства компаниите, които искат да си сътрудничат по много потенциални приложения.

„Нашият подход е да идентифицираме предизвикателствата и да създаваме възможности чрез съвместно проектиране, обмен на знания, обучение, базирано на работа, критично решаване на проблеми и превод на изследвания“, каза той.