3D-trykt titanstruktur viser overnaturlig styrke

Et 3D-trykt "metamateriale" som kan skryte av styrkenivåer for vekt som vanligvis ikke sees i naturen eller produksjonen, kan endre måten vi lager alt fra medisinske implantater til fly- eller rakettdeler.

Studieleder Jordan Noronha holder titangitterkuben. Bildekreditt: RMIT University

RMIT University-forskere skapte det nye metamaterialet - et begrep som brukes for å beskrive et kunstig materiale med unike egenskaper som ikke er observert i naturen - fra vanlig titanlegering.

Men det er materialets unike gitterstrukturdesign, nylig avslørt i tidsskriftet Advanced Materials, som gjør det til alt annet enn vanlig: tester viser at det er 50 % sterkere enn den nest sterkeste legeringen med lignende tetthet som brukes i romfartsapplikasjoner.

Forbedre naturens design

Gitterkonstruksjoner laget av hule stivere ble opprinnelig inspirert av naturen: sterke hulstilkede planter som Victoria-vannlilje eller den hardføre orgelpipekorallen (Tubipora musica) viste oss måten å kombinere letthet og styrke.

Som RMITs utmerkede professor Ma Qian forklarer, har imidlertid flere tiår med forsøk på å gjenskape disse hule "cellestrukturene" i metaller blitt frustrert av de vanlige problemene med produksjonsevne og belastningsspenning som konsentrerer seg om de indre områdene av de hule stiverne, noe som har ført til for tidlig feil.

"Ideelt sett bør stresset i alle komplekse cellulære materialer spres jevnt," forklarte Qian.

"For de fleste topologier er det imidlertid vanlig at mindre enn halvparten av materialet hovedsakelig bærer trykkbelastningen, mens det større volumet av materiale er strukturelt ubetydelig."

Metall 3D-utskrift gir enestående innovative løsninger på disse problemene.

Ved å presse 3D-utskriftsdesignet til dets grenser, optimaliserte RMIT-teamet en ny type gitterstruktur for å fordele belastningen jevnere, noe som forbedret dens styrke eller strukturelle effektivitet.

"Vi designet en hul rørformet gitterstruktur som har et tynt bånd som løper inni seg. Disse to elementene viser sammen styrke og letthet som aldri før har vært sett sammen i naturen," sa Qian.

"Ved å effektivt slå sammen to komplementære gitterstrukturer for å jevnt fordele stress, unngår vi de svake punktene der stress normalt konsentreres."

Laserdrevet styrke

Teamet 3D-printet dette designet ved RMITs Advanced Manufacturing Precinct ved å bruke en prosess kalt laserpulverbedfusjon, hvor lag med metallpulver smeltes på plass ved hjelp av en kraftig laserstråle.

Testing viste at det trykte designet – en gitterkube av titan – var 50 % sterkere enn støpt magnesiumlegering WE54, den sterkeste legeringen med lignende tetthet som brukes i romfartsapplikasjoner. Den nye strukturen hadde effektivt halvert mengden stress konsentrert om gitterets beryktede svake punkter.

Den doble gitterdesignen betyr også at eventuelle sprekker avbøyes langs strukturen, noe som øker seigheten ytterligere.

Studielederforfatter og RMIT PhD-kandidat Jordan Noronha sa at de kunne lage denne strukturen i skalaen flere millimeter eller flere meter i størrelse ved å bruke forskjellige typer skrivere.

Denne trykkbarheten, sammen med styrken, biokompatibiliteten, korrosjonen og varmebestandigheten gjør den til en lovende kandidat for mange bruksområder, fra medisinsk utstyr som beinimplantater til fly- eller rakettdeler.

"Sammenlignet med den sterkeste tilgjengelige støpte magnesiumlegeringen som for tiden brukes i kommersielle applikasjoner som krever høy styrke og lett vekt, ble vårt titanmetamateriale med en sammenlignbar tetthet vist å være mye sterkere eller mindre utsatt for permanent formendring under trykkbelastning, for ikke å nevne mer gjennomførbart for produksjon," sa Noronha.

Teamet planlegger å foredle materialet ytterligere for maksimal effektivitet og utforske bruksområder i miljøer med høyere temperaturer.

Selv om den for tiden er motstandsdyktig mot temperaturer så høye som 350 grader, tror de at den kan tåle temperaturer opp til 600 grader ved å bruke mer varmebestandige titanlegeringer, for applikasjoner i romfart eller brannslokkingsdroner.

Siden teknologien for å lage dette nye materialet ennå ikke er allment tilgjengelig, kan det ta litt tid å ta det i bruk av industrien.

"Tradisjonelle produksjonsprosesser er ikke praktiske for fremstilling av disse intrikate metallmetamaterialene, og ikke alle har en laserpulverbedfusjonsmaskin på lageret," sa han.

"Men etter hvert som teknologien utvikler seg, vil den bli mer tilgjengelig og utskriftsprosessen vil bli mye raskere, noe som gjør det mulig for et større publikum å implementere våre høystyrke multi-topologi metamaterialer i sine komponenter. Viktigere, metall 3D-utskrift tillater enkel nettform fabrikasjon for ekte bruksområder."

Teknisk direktør for RMITs Advanced Manufacturing Precinct, den fremtredende professor Milan Brandt, sa at teamet ønsket velkommen til selskaper som ønsker å samarbeide om de mange potensielle bruksområdene.

"Vår tilnærming er å identifisere utfordringer og skape muligheter gjennom samarbeidsdesign, kunnskapsutveksling, arbeidsbasert læring, kritisk problemløsning og oversettelse av forskning," sa han.