Structura din titan imprimată 3D arată o forță supranaturală

Un „metamaterial” imprimat 3D, care se mândrește cu niveluri de rezistență pentru greutate, care nu se observă în mod normal în natură sau în producție, ar putea schimba modul în care facem totul, de la implanturi medicale la piese de avioane sau rachete.

Conducătorul studiului Jordan Noronha ține cubul de titan. Credit imagine: Universitatea RMIT

Cercetătorii de la Universitatea RMIT au creat noul metamaterial – un termen folosit pentru a descrie un material artificial cu proprietăți unice care nu sunt observate în natură – dintr-un aliaj comun de titan.

Dar designul unic al structurii de zăbrele a materialului, dezvăluit recent în jurnalul Advanced Materials, îl face deloc obișnuit: testele arată că este cu 50% mai puternic decât următorul aliaj cel mai puternic cu densitate similară utilizat în aplicații aerospațiale.

Îmbunătățirea designului naturii

Structurile de zăbrele realizate din lupte goale au fost inițial inspirate din natură: plante puternice cu tulpină goală, cum ar fi nufărul Victoria sau coralul rezistent la orgă (Tubipora musica) ne-au arătat calea de a combina ușurința și puterea.

Cu toate acestea, după cum explică profesorul distins al RMIT, Ma Qian, decenii de încercare de a reproduce aceste „structuri celulare” goale în metale au fost frustrate de problemele comune de fabricabilitate și stresul de sarcină concentrat pe zonele interioare ale barelor goale, ceea ce duce la defecțiuni premature.

„În mod ideal, stresul din toate materialele celulare complexe ar trebui să fie distribuit uniform”, a explicat Qian.

„Cu toate acestea, pentru majoritatea topologiilor, este obișnuit ca mai puțin de jumătate din material să suporte în principal sarcina de compresiune, în timp ce volumul mai mare de material este nesemnificativ din punct de vedere structural”.

Imprimarea 3D metal oferă soluții inovatoare fără precedent la aceste probleme.

Împingând designul de imprimare 3D la limitele sale, echipa RMIT a optimizat un nou tip de structură de zăbrele pentru a distribui stresul mai uniform, sporindu-i rezistența sau eficiența structurală.

„Am proiectat o structură de zăbrele tubulară goală, care are o bandă subțire care rulează în interiorul ei. Aceste două elemente împreună arată rezistență și ușurință niciodată văzute împreună în natură”, a spus Qian.

„Prin îmbinarea eficientă a două structuri de rețea complementare pentru a distribui uniform stresul, evităm punctele slabe în care stresul se concentrează în mod normal.”

Putere cu laser

Echipa a imprimat 3D acest design la Advanced Manufacturing Precinct a RMIT folosind un proces numit fuziune cu strat de pulbere laser, în care straturile de pulbere metalică sunt topite la locul lor folosind un fascicul laser de mare putere.

Testele au arătat că designul imprimat – un cub de zăbrele de titan – a fost cu 50% mai puternic decât aliajul de magneziu turnat WE54, cel mai puternic aliaj de densitate similară utilizat în aplicații aerospațiale. Noua structură a redus efectiv la jumătate cantitatea de stres concentrată asupra punctelor slabe infame ale rețelei.

Designul cu zăbrele dublă înseamnă, de asemenea, că orice fisuri sunt deviate de-a lungul structurii, sporind și mai mult duritatea.

Autorul principal al studiului și candidatul la doctorat RMIT, Jordan Noronha, a spus că ar putea realiza această structură la o scară de câțiva milimetri sau câțiva metri folosind diferite tipuri de imprimante.

Această imprimabilitate, împreună cu rezistența, biocompatibilitatea, coroziunea și rezistența la căldură îl fac un candidat promițător pentru multe aplicații, de la dispozitive medicale, cum ar fi implanturi osoase, până la piese de avioane sau rachete.

„În comparație cu cel mai puternic aliaj de magneziu turnat disponibil în prezent, utilizat în aplicații comerciale care necesită rezistență ridicată și greutate redusă, metamaterialul nostru de titan cu o densitate comparabilă s-a dovedit a fi mult mai puternic sau mai puțin susceptibil la schimbarea permanentă a formei sub încărcare compresivă, ca să nu mai vorbim că este mai fezabil pentru fabricație”, a spus Noronha.

Echipa plănuiește să perfecționeze în continuare materialul pentru o eficiență maximă și să exploreze aplicații în medii cu temperaturi mai ridicate.

Deși în prezent este rezistent la temperaturi de până la 350 de grade, ei cred că ar putea fi făcut pentru a rezista la temperaturi de până la 600 de grade folosind aliaje de titan mai rezistente la căldură, pentru aplicații în drone aerospațiale sau de stingere a incendiilor.

Deoarece tehnologia pentru realizarea acestui nou material nu este încă disponibilă pe scară largă, adoptarea sa de către industrie ar putea dura ceva timp.

„Procesele tradiționale de fabricație nu sunt practice pentru fabricarea acestor metamateriale metalice complexe și nu toată lumea are o mașină de fuziune cu strat de pulbere cu laser în depozitul lor”, a spus el.

„Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, ea va deveni mai accesibilă, iar procesul de imprimare va deveni mult mai rapid, permițând unui public mai larg să implementeze metamaterialele noastre multi-topologie de înaltă rezistență în componentele lor. Important, imprimarea 3D din metal permite fabricarea ușoară a formei netei. pentru aplicații reale.”

Directorul tehnic al secției de producție avansată a RMIT, profesorul distins Milan Brandt, a declarat că echipa a salutat companiile care doresc să colaboreze la numeroasele aplicații potențiale.

„Abordarea noastră este de a identifica provocările și de a crea oportunități prin proiectarea colaborativă, schimbul de cunoștințe, învățarea la locul de muncă, rezolvarea problemelor critice și traducerea cercetării”, a spus el.