3D-друкована титанова структура демонструє надприродну силу
Надрукований на 3D-вимірі «метаматеріал», що може похвалитися рівнем міцності для ваги, який зазвичай не зустрічається в природі чи на виробництві, може змінити спосіб виготовлення всього: від медичних імплантатів до частин літаків і ракет.
Керівник дослідження Джордан Норонха тримає титановий гратчастий куб. Авторство зображення: Університет RMIT
Дослідники Університету RMIT створили новий метаматеріал – термін, який використовується для опису штучного матеріалу з унікальними властивостями, яких немає в природі – зі звичайного титанового сплаву.
Але унікальна гратчаста структура цього матеріалу, нещодавно опублікована в журналі Advanced Materials, робить його зовсім не звичайним: тести показують, що він на 50% міцніший за наступний найміцніший сплав подібної щільності, який використовується в аерокосмічній галузі.
Поліпшення дизайну природи
Гратчасті конструкції з порожнистих стійок спочатку були натхненні природою: сильні рослини з порожнистими стеблами, такі як водяна лілія Вікторія або витривалий корал (Tubipora musica), показали нам спосіб поєднання легкості та міцності.
Однак, як пояснює почесний професор RMIT Ма Цянь, десятиліття спроб відтворити ці порожнисті «стільникові структури» в металах були розчаровані загальними проблемами технологічності та навантаженням, що концентруються на внутрішніх ділянках порожнистих стійок, що призвело до передчасних поломок.
«В ідеалі напруга у всіх складних стільникових матеріалах має бути рівномірно розподілена», — пояснив Цянь.
«Однак для більшості топологій зазвичай менш ніж половина матеріалу несе навантаження на стиснення, тоді як більший об’єм матеріалу є структурно незначним».
Металевий 3D-друк пропонує безпрецедентні інноваційні рішення цих проблем.
Досягнувши можливостей дизайну 3D-друку, команда RMIT оптимізувала новий тип решітчастої структури, щоб більш рівномірно розподілити навантаження, підвищивши її міцність або ефективність конструкції.
«Ми розробили порожнисту трубчасту решітчасту структуру, яка має тонку стрічку, що проходить всередині неї. Ці два елементи разом демонструють міцність і легкість, яких ніколи раніше не бачили разом у природі», — сказав Цянь.
«Завдяки ефективному об’єднанню двох комплементарних структур решітки для рівномірного розподілу напруги ми уникаємо слабких місць, де зазвичай концентрується напруга».
Сила лазера
Команда надрукувала цю конструкцію на 3D-принтері в RMIT’s Advanced Manufacturing Precinct за допомогою процесу, що називається лазерним злиттям порошкового шару, де шари металевого порошку розплавляються на місці за допомогою потужного лазерного променя.
Тестування показало, що друкована конструкція – титановий гратчастий куб – була на 50% міцнішою за литий магнієвий сплав WE54, найміцніший сплав подібної щільності, який використовується в аерокосмічній галузі. Нова структура фактично вдвічі зменшила напругу, зосереджену на сумнозвісних слабких місцях решітки.
Конструкція з подвійною решіткою також означає, що будь-які тріщини відхиляються вздовж конструкції, що ще більше підвищує міцність.
Провідний автор дослідження та доктор філософії RMIT Джордан Норонха сказав, що вони можуть створити цю структуру в масштабі кількох міліметрів або кількох метрів за допомогою різних типів принтерів.
Така можливість друку, а також міцність, біосумісність, стійкість до корозії та тепла роблять його перспективним кандидатом для багатьох застосувань від медичних пристроїв, таких як кісткові імплантати, до деталей літаків чи ракет.
«Порівняно з найміцнішим наявним литим магнієвим сплавом, який зараз використовується в промислових цілях, де потрібна висока міцність і легкість, наш титановий метаматеріал із порівнянною щільністю виявився набагато міцнішим або менш сприйнятливим до постійної зміни форми під навантаженням на стиснення, не кажучи вже про більш можливий для виробництва", - сказав Норонья.
Команда планує далі вдосконалювати матеріал для досягнення максимальної ефективності та досліджувати застосування в середовищах з вищою температурою.
Незважаючи на те, що в даний час він стійкий до температур до 350 градусів, вони вважають, що його можна витримати температуру до 600 градусів за допомогою більш жаростійких титанових сплавів для застосування в аерокосмічних або протипожежних дронах.
Оскільки технологія виробництва цього нового матеріалу ще не є загальнодоступною, її впровадження в промисловості може зайняти деякий час.
«Традиційні виробничі процеси не є практичними для виготовлення цих складних металевих метаматеріалів, і не кожен має на своєму складі машину для лазерного плавлення порошкового шару», — сказав він.
«Однак у міру розвитку технології вона стане доступнішою, а процес друку стане набагато швидшим, що дозволить більшій аудиторії використовувати наші високоміцні мультитопологічні метаматеріали у своїх компонентах. Важливо, що металевий 3D-друк дозволяє легко виготовляти чисту форму для реальних застосувань».
Технічний директор RMIT's Advanced Manufacturing Precinct, видатний професор Мілан Брандт, сказав, що команда вітає компанії, які бажають співпрацювати над багатьма потенційними додатками.
«Наш підхід полягає у визначенні викликів і створенні можливостей за допомогою спільного проектування, обміну знаннями, навчання на роботі, критичного вирішення проблем і перекладу досліджень», — сказав він.