3D-geprinte titaniumstructuur toont bovennatuurlijke kracht

Een 3D-geprint 'metamateriaal' met niveaus van sterkte/gewicht die normaal gesproken niet voorkomen in de natuur of productie, zou de manier kunnen veranderen waarop we alles maken, van medische implantaten tot vliegtuig- of raketonderdelen.

Studieleider Jordan Noronha houdt de titanium roosterkubus vast. Beeldcredits: RMIT Universiteit

Onderzoekers van RMIT University creëerden het nieuwe metamateriaal – een term die wordt gebruikt om een ​​kunstmatig materiaal te beschrijven met unieke eigenschappen die in de natuur niet voorkomen – van een gewone titaniumlegering.

Maar het is het unieke roosterstructuurontwerp van het materiaal, onlangs onthuld in het tijdschrift Advanced Materials, dat het allesbehalve gebruikelijk maakt: uit tests blijkt dat het 50% sterker is dan de volgende sterkste legering met een vergelijkbare dichtheid die in ruimtevaarttoepassingen wordt gebruikt.

Het ontwerp van de natuur verbeteren

Roosterstructuren van holle stutten waren oorspronkelijk geïnspireerd door de natuur: sterke planten met holle stengels zoals de Victoria-waterlelie of het winterharde orgelpijpkoraal (Tubipora musica) lieten ons de manier zien om lichtheid en kracht te combineren.

Echter, zoals RMIT's vooraanstaande professor Ma Qian uitlegt, zijn tientallen jaren van pogingen om deze holle 'cellulaire structuren' in metalen te repliceren gefrustreerd door de algemene problemen van maakbaarheid en belastingsspanning die zich concentreren op de binnengebieden van de holle stutten, wat tot voortijdige mislukkingen leidt.

"In het ideale geval zou de stress in alle complexe cellulaire materialen gelijkmatig verdeeld moeten zijn", legt Qian uit.

"Voor de meeste topologieën is het echter gebruikelijk dat minder dan de helft van het materiaal voornamelijk de drukbelasting draagt, terwijl het grotere materiaalvolume structureel onbelangrijk is."

Metaal 3D-printen biedt ongekende innovatieve oplossingen voor deze vraagstukken.

Door het 3D-printontwerp tot het uiterste te drijven, optimaliseerde het RMIT-team een ​​nieuw type roosterstructuur om de spanning gelijkmatiger te verdelen, waardoor de sterkte en structurele efficiëntie werden verbeterd.

"We hebben een holle buisvormige roosterstructuur ontworpen met daarin een dunne band. Deze twee elementen tonen samen kracht en lichtheid die nog nooit eerder samen in de natuur zijn gezien", zegt Qian.

"Door effectief twee complementaire roosterstructuren samen te voegen om de spanning gelijkmatig te verdelen, vermijden we de zwakke punten waar de spanning zich normaal gesproken concentreert."

Laseraangedreven kracht

Het team heeft dit ontwerp in 3D geprint in RMIT's Advanced Manufacturing Precinct met behulp van een proces dat laserpoederbedfusie wordt genoemd, waarbij lagen metaalpoeder op hun plaats worden gesmolten met behulp van een krachtige laserstraal.

Uit tests bleek dat het gedrukte ontwerp – een kubus van titaniumrooster – 50% sterker was dan de gegoten magnesiumlegering WE54, de sterkste legering met een vergelijkbare dichtheid die wordt gebruikt in lucht- en ruimtevaarttoepassingen. De nieuwe structuur had de hoeveelheid spanning die zich concentreerde op de beruchte zwakke punten van het rooster effectief gehalveerd.

Het dubbele roosterontwerp betekent ook dat eventuele scheuren langs de structuur worden afgebogen, waardoor de taaiheid verder wordt verbeterd.

Hoofdauteur van het onderzoek en RMIT-promovendus Jordan Noronha zei dat ze deze structuur op een schaal van enkele millimeters of enkele meters groot konden maken met behulp van verschillende soorten printers.

Deze bedrukbaarheid, samen met de sterkte, biocompatibiliteit, corrosie en hittebestendigheid, maken het een veelbelovende kandidaat voor vele toepassingen, van medische apparaten zoals botimplantaten tot vliegtuig- of raketonderdelen.

"Vergeleken met de sterkste beschikbare gegoten magnesiumlegering die momenteel wordt gebruikt in commerciële toepassingen die een hoge sterkte en lichtgewicht vereisen, bleek ons ​​titanium-metamateriaal met een vergelijkbare dichtheid veel sterker of minder gevoelig voor permanente vormverandering onder drukbelasting, om nog maar te zwijgen van de haalbaarheid ervan." productie,” zei Noronha.

Het team is van plan het materiaal verder te verfijnen voor maximale efficiëntie en toepassingen in omgevingen met hogere temperaturen te onderzoeken.

Hoewel ze momenteel bestand zijn tegen temperaturen tot 350 graden, geloven ze dat het bestand kan worden gemaakt tegen temperaturen tot 600 graden met behulp van meer hittebestendige titaniumlegeringen, voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart of voor brandbestrijdingsdrones.

Omdat de technologie om dit nieuwe materiaal te maken nog niet algemeen beschikbaar is, kan de adoptie ervan door de industrie enige tijd in beslag nemen.

"Traditionele productieprocessen zijn niet praktisch voor de fabricage van deze ingewikkelde metalen metamaterialen, en niet iedereen heeft een laserpoederbedfusiemachine in zijn magazijn", zei hij.

"Naarmate de technologie zich ontwikkelt, zal deze echter toegankelijker worden en zal het printproces veel sneller worden, waardoor een groter publiek onze krachtige multi-topologische metamaterialen in hun componenten kan implementeren. Belangrijk is dat 3D-printen met metaal een eenvoudige vervaardiging van netvormen mogelijk maakt voor echte toepassingen.”

Technisch directeur van RMIT's Advanced Manufacturing Precinct, vooraanstaande professor Milan Brandt, zei dat het team bedrijven verwelkomde die wilden samenwerken aan de vele potentiële toepassingen.

"Onze aanpak is om uitdagingen te identificeren en kansen te creëren door middel van collaboratief ontwerp, kennisuitwisseling, leren op de werkplek, kritische probleemoplossing en vertaling van onderzoek", zei hij.