3D tištěná titanová struktura ukazuje nadpřirozenou sílu

3D tištěná titanová struktura ukazuje nadpřirozenou sílu

3D tištěný „metamateriál“ pyšnící se úrovněmi pevnosti vzhledem k hmotnosti, které se v přírodě nebo výrobě běžně nevyskytují, by mohl změnit způsob, jakým vyrábíme vše od lékařských implantátů po součásti letadel nebo raket.

Výzkumníci z RMIT University vytvořili nový metamateriál - termín používaný k popisu umělého materiálu s jedinečnými vlastnostmi, které nejsou v přírodě pozorovány - z běžné titanové slitiny.

Ale je to unikátní konstrukce mřížkové struktury materiálu, nedávno odhalená v časopise Advanced Materials, která z něj dělá něco jiného než běžného: testy ukazují, že je o 50 % pevnější než další nejsilnější slitina podobné hustoty používaná v leteckých aplikacích.

Vylepšení vlastního designu přírody

Příhradové konstrukce z dutých vzpěr byly původně inspirovány přírodou: silné duté stonky jako leknín Victoria nebo odolný korálovec varhanní (Tubipora Musica) nám ukázaly cestu, jak spojit lehkost a sílu.

Nicméně, jak vysvětluje významný profesor Ma Qian z RMIT, desetiletí pokusů o replikaci těchto dutých „buněčných struktur“ v kovech byla zmařena běžnými problémy vyrobitelnosti a zátěžového napětí, které se soustředilo na vnitřní oblasti dutých vzpěr, což vedlo k předčasným poruchám.

"V ideálním případě by stres ve všech komplexních buněčných materiálech měl být rovnoměrně rozložen," vysvětlil Qian.

"U většiny topologií je však běžné, že tlakovou zátěž nese hlavně méně než polovina materiálu, zatímco větší objem materiálu je konstrukčně nevýznamný."

Kovový 3D tisk poskytuje bezprecedentní inovativní řešení těchto problémů.

Posouváním návrhu 3D tisku na jeho limity optimalizoval tým RMIT nový typ mřížkové struktury, aby rovnoměrněji rozložil napětí a zvýšil jeho pevnost nebo strukturální účinnost.

"Navrhli jsme dutou trubkovou mřížkovou strukturu, která má uvnitř tenký pás. Tyto dva prvky společně ukazují sílu a lehkost, kterou spolu v přírodě nikdy nikdo neviděl," řekl Qian.

"Efektivním sloučením dvou komplementárních mřížkových struktur pro rovnoměrné rozložení napětí se vyhneme slabým místům, kde se stres normálně koncentruje."

Laserem poháněná síla

Tým vytiskl tento návrh v Advanced Manufacturing Precinct společnosti RMIT pomocí procesu zvaného laserová prášková fúze, kde jsou vrstvy kovového prášku roztaveny na místo pomocí vysoce výkonného laserového paprsku.

Testování ukázalo, že tištěný design – titanová mřížková kostka – byl o 50 % pevnější než litá hořčíková slitina WE54, nejpevnější slitina podobné hustoty používaná v leteckých aplikacích. Nová struktura účinně snížila na polovinu množství napětí soustředěného na nechvalně známá slabá místa mřížky.

Konstrukce dvojité mřížky také znamená, že jakékoli trhliny jsou odkloněny podél konstrukce, což dále zvyšuje tuhost.

 

Hlavní autor studie a RMIT Ph.D. kandidát Jordan Noronha řekl, že by mohli vyrobit tuto strukturu v měřítku několika milimetrů nebo několika metrů pomocí různých typů tiskáren.

Tato potiskovatelnost spolu s jeho pevností, biokompatibilitou, korozí a tepelnou odolností z něj činí slibného kandidáta pro mnoho aplikací, od lékařských zařízení, jako jsou kostní implantáty, až po součásti letadel nebo raket.

„Ve srovnání s nejpevnější dostupnou litou hořčíkovou slitinou, která se v současnosti používá v komerčních aplikacích vyžadujících vysokou pevnost a lehkost, se ukázalo, že náš titanový metamateriál se srovnatelnou hustotou je mnohem pevnější nebo méně náchylný k trvalé změně tvaru při tlakovém zatížení, nemluvě o schůdnějším způsobu výroby,“ řekl Noronha.

Tým plánuje dále zdokonalovat materiál pro maximální efektivitu a prozkoumat aplikace v prostředích s vyšší teplotou

I když je v současné době odolný vůči teplotám až 350 °C, věří, že by mohl být vyroben tak, aby vydržel teploty až 600 °C pomocí tepelně odolnějších slitin titanu pro aplikace v letectví nebo v hasičských dronech.

Protože technologie výroby tohoto nového materiálu ještě není široce dostupná, její přijetí průmyslem může nějakou dobu trvat.

"Tradiční výrobní procesy nejsou pro výrobu těchto složitých kovových metamateriálů praktické a ne každý má ve svém skladu stroj na fúzi laserového lože," řekl.

"Nicméně, jak se technologie vyvíjí, stane se dostupnější a tiskový proces bude mnohem rychlejší, což umožní širšímu publiku implementovat naše vysoce pevné multi-topologické metamateriály do jejich součástí. Důležité je, že kovový 3D tisk umožňuje snadný čistý tvar. " výroba pro skutečné aplikace."

Technický ředitel Advanced Manufacturing Precinct společnosti RMIT, vážený profesor Milan Brandt, řekl, že tým vítá společnosti, které chtějí spolupracovat na mnoha potenciálních aplikacích.

„Naším přístupem je identifikovat výzvy a vytvářet příležitosti prostřednictvím společného designu, výměny znalostí, učení založeného na práci, řešení kritických problémů a překladu výzkumu,“ řekl.