3D打印钛结构展现超自然力量

3D打印的“超材料”具有自然界或制造业中不常见的强度/重量水平，它可能会改变我们制造从医疗植入物到飞机或火箭部件等各种物品的方式。

皇家墨尔本理工大学的研究人员用普通的钛合金创造了这种新的超材料，该术语用于描述具有自然界中未观察到的独特性能的人造材料。

但正是该材料独特的晶格结构设计(最近在《先进材料》杂志上披露)使它变得非常不常见：测试表明，它比航空航天应用中使用的类似密度的下一个最强合金强50%。

改进自然本身的设计

由空心支柱制成的格子结构最初的灵感来自于大自然：维多利亚睡莲或耐寒的风琴管珊瑚(Tubiporamusica)等坚固的空心茎植物向我们展示了将轻盈和强度结合起来的方法。

然而，正如皇家墨尔本理工大学杰出教授马前所解释的那样，数十年来在金属中复制这些中空“蜂窝结构”的尝试都因可制造性和集中在中空支柱内部区域的负载应力等常见问题而受挫，从而导致过早失效。

“理想情况下，所有复杂细胞材料中的压力应该均匀分布，”钱解释道。

“然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料主要承受压缩载荷，而较大体积的材料在结构上无关紧要。”

金属3D打印为这些问题提供了前所未有的创新解决方案。

通过将3D打印设计推向极限，RMIT团队优化了一种新型晶格结构，以更均匀地分布应力，从而提高其强度或结构效率。

“我们设计了一种空心管状晶格结构，内部有一条细带。这两个元素一起展现了自然界中从未见过的强度和轻盈度，”钱说。

“通过有效地合并两个互补的晶格结构来均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的弱点。”

激光驱动强度

该团队在RMIT先进制造区使用激光粉末床融合工艺3D打印了这一设计，即使用高功率激光束将金属粉末层熔化到位。

测试表明，打印的设计(钛晶格立方体)比铸造镁合金WE54强50%，WE54是航空航天应用中使用的类似密度的最强合金。新结构有效地将集中在晶格臭名昭著的弱点上的应力减半。

双晶格设计还意味着任何裂纹都会沿着结构偏转，进一步增强韧性。

研究主要作者、皇家墨尔本理工大学博士候选人乔丹·诺罗尼亚(JordanNoronha)表示，他们可以使用不同类型的打印机制造出几毫米或几米大小的结构。

这种可印刷性及其强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性使其成为许多应用的有前途的候选者，从骨植入物等医疗设备到飞机或火箭零件。

“与目前在需要高强度和轻量化的商业应用中使用的最强的可用铸造镁合金相比，我们具有相当密度的钛超材料被证明更加坚固或不易在压缩载荷下发生永久形状变化，更不用说更可行了制造，”诺罗尼亚说。

该团队计划进一步改进该材料以实现最大效率，并探索在更高温度环境中的应用。

虽然目前可耐受高达350°C的温度，但他们相信使用更耐热的钛合金可以使其耐受高达600°C的温度，用于航空航天或消防无人机。

由于制造这种新材料的技术尚未广泛应用，其在行业中的采用可能需要一些时间。

“传统的制造工艺对于制造这些复杂的金属超材料来说并不实用，而且并不是每个人的仓库里都有激光粉末床熔合机，”他说。

“然而，随着技术的发展，它将变得更加容易获得，并且打印过程将变得更快，使更多的受众能够在他们的组件中实现我们的高强度多拓扑超材料。重要的是，金属3D打印可以轻松实现净形状为实际应用而制造。”

皇家墨尔本理工大学先进制造区技术总监、杰出教授MilanBrandt表示，该团队欢迎希望在许多潜在应用领域进行合作的公司。

“我们的方法是通过协作设计、知识交流、基于工作的学习、解决关键问题和研究转化来识别挑战并创造机会，”他说。

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