3D принтиран "метаматериал", който се отличава с невиждани в природата или производството нива на здравина спрямо тегло, може да промени начина, по който правим всичко - от медицински импланти до части за самолети или ракети.

Изследователи от университета RMIT са създали от обикновена титанова сплав нов метаматериал - термин, с който се описва изкуствен материал с уникални свойства, които не се наблюдават в природата.

Но именно уникалният дизайн на решетъчната структура на материала, наскоро показан в списанието Advanced Materials, го прави всичко друго, но не и обикновен: тестовете показват, че той е с 50 % по-здрав от следващата най-здрава сплав с подобна плътност, използвана в аерокосмическите технологии.

Усъвършенстване на природната конструкция

Първоначално решетъчните структури, изградени от кухи подпори, са вдъхновени от природата: здравите растения с кухи стъбла, като водната лилия Виктория или издръжливите корали с органични тръби (Tubipora musica), са посочили начина за съчетаване на лекота и здравина.

Но както обяснява професор Ма Циен (Ma Qian) от RMIT, десетилетията на опити да се възпроизведат тези кухи "клетъчни структури" в метали са били осуетени от типичните проблеми с пригодността за производство и натоварването, концентрирано във вътрешните части на кухите подпори, което води до преждевременни повреди.

Докторантът Джордан Норонха държи образец на новата титаниева решетъчна структура, отпечатана 3D във формата на куб. Кредит: RMIT.

"В идеалния случай напрежението във всички сложни клетъчни материали трябва да бъде равномерно разпределено", обяснява Циен.

"За повечето топологии обаче е обичайно по-малко от половината от материала да понася основно натисковото натоварване, докато по-големият обем материал е без структурно значение."

Металното 3D принтиране предоставя безпрецедентни, иновативни решения на тези проблеми.

Достигайки до границите на възможностите на конструкцията за 3D принтиране, екипът на RMIT оптимизира нов тип решетъчна структура, която да разпределя напрежението по-равномерно, повишавайки нейната здравина или структурна ефективност.

"Проектирахме куха тръбна решетъчна структура, която има тънка лента, минаваща вътре в нея. Тези два елемента заедно показват здравина и лекота, които никога досега не са били виждани заедно в природата", посочва Циен.

"Чрез ефективното сливане на две допълващи се решетъчни структури за равномерно разпределение на напрежението, избягваме слабите места, където обикновено се концентрира напрежението."

Здравина, постигната с лазер

Екипът принтира 3D тази конструкция в Центъра за усъвършенствано производство на RMIT с помощта на процес, наречен лазерно сливане на прахови пластове, при който слоеве метален прах се разтопяват на място с помощта на мощен лазерен лъч.

Тестовете показват, че отпечатаният модел - титаниев решетъчен куб - е с 50 % по-здрав от отлятата магнезиева сплав WE54 - най-здравата сплав с подобна плътност, използвана в космическите приложения. Новата структура ефективно е намалила наполовина напрежението, концентрирано в прословутите слаби места на решетката.

Двойната решетъчна конструкция означава също, че всякакви пукнатини се отклоняват по протежение на структурата, което допълнително повишава здравината.

Компютърно проектирани модели, показващи интегрирането на (а) единична клетка с кубична куха решетка (HSL) с (b) единична клетка с кубична тънка плоча (TPL), за да се образува единична TP-HSL клетка  (c). (d–f) Оптични изображения на образци Ti-6Al-4V TP-HSL с плътности от 1,0, 1,5 и 1,8 g cm−3 чрез промяна на размера на единичната клетка на решетката. Кредит: Jordan Noronha et al, Titanium Multi‐Topology Metamaterials with Exceptional Strength, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202308715

Водещият автор на изследването и докторант на RMIT Джордан Норонха (Jordan Noronha) заявява, че могат да направят тази структура в мащаб от няколко милиметра или няколко метра, като използват различни видове принтери.

Тази възможност за отпечатване, заедно с нейната здравина, биосъвместимост, устойчивост на корозия и топлина, я прави обещаващ кандидат за много приложения - от медицински изделия като костни импланти до части за самолети или ракети.

"В сравнение с най-здравата налична отливка от магнезиева сплав, която понастоящем се използва в търговски приложения, изискващи висока якост и лекота, нашият титанов метаматериал със сравнима плътност се оказа много по-здрав или по-малко податлив на постоянна промяна на формата при компресионно натоварване, да не говорим, че е по-приложим за производство", отбелязва Норонха.

Тестът за натиск показва (вляво) концентрацията на напрежение в червено и жълто върху решетката от кухи опорни тръби, докато (вдясно) двойната решетъчна структура разпределя напрежението по-равномерно, за да се избегнат големите напрежения. Кредит: RMIT

Екипът планира да продължи да усъвършенства материала за постигане на максимална ефективност и да проучи приложенията в среди с по-висока температура.

Макар че в момента материалът е устойчив на температури до 350 °C, те смятат, че той може да бъде направен така, че да издържа на температури до 600 °C, като се използват по-топлоустойчиви титанови сплави за приложения в космическите или противопожарните дронове.

Демонстрация на лазерна машина за синтез на прахови слоеве.

Тъй като технологията за изработване на този нов материал все още не е широко разпространена, за внедряването му в промишлеността може да е необходимо известно време.

"Традиционните производствени процеси не са практични за изработването на тези сложни метални метаматериали, а и не всеки има в склада си лазерна машина за синтез на прахови слоеве", коментира експертът.

"С развитието на технологията обаче тя ще стане по-достъпна, а процесът на отпечатване ще стане много по-бърз, което ще позволи на по-голяма част от потребителите да внедрят нашите високоякостни мултитопологични метаматериали в своите компоненти. Важното е, че металното 3D принтиране позволява лесно изработване на мрежести форми за реални приложения."

Справка: Jordan Noronha et al, Titanium Multi‐Topology Metamaterials with Exceptional Strength, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202308715

Източник: 3D printed titanium structure shows supernatural strength, RMIT University

Още по темата

06/06/2023

Технологии

Изобретен е нов клас материали, които са и твърди, и абсорбират вибрации (видео)

12/01/2023

Физика

Нов метод за безконтактно преместване на предмети чрез ултразвук (видео)

07/03/2022

Космос

Огромна въртяща се космическа станция в километров мащаб може да бъде изстреляна от една ракета (видео)

07/02/2022

Физика

Нов материал, който може да абсорбира и отделя огромни количества енергия