Op titanium gebaseerde metamateriaal ontgrendelt sterkte voorbij de natuur.

Een baanbrekende titaniummetamateriaal met een ongeëvenaarde sterkte en veelzijdigheid kan een revolutie teweegbrengen in de productie en een snelle luchtvaart.

Er is een lichtgewicht, zeer sterk titaniummateriaal ontworpen dat kan leiden tot sterkere medische hulpmiddelen en innovatieve voertuigen- en ruimtevaartuigen. Het onderzoeksteam gebruikte een gemeenschappelijke titaniumlegering, ti -6 al -4 v, om het "metamateriaal" te construeren, een term die wordt gebruikt om een ​​kunstmatig materiaal te beschrijven dat unieke eigenschappen bezit die niet in de natuur worden waargenomen - meta betekent " voorbij "in het Grieks.

Veel van dergelijke ingewikkelde en verrassend sterke structuren bestaan ​​in de natuur, zoals die van de Victoria Water Lily. Inheems in Zuid -Amerika is dit gigantische drijvende blad sterk genoeg om een ​​volwassene te ondersteunen vanwege de unieke roosterstructuur van zijn aderen.

De structuren van door de mens veroorzaakte materialen kunnen worden ontworpen om deze planten en andere natuurlijke poreuze materialen zoals koraal na te bootsen, met verschillende roosters die variëren van eenvoudige kubussen tot complexe dodecaëderronen. De poriën in deze roosterstructuren verbinden zich en vormen kanalen. Bekend als "cellulaire" materialen, worden deze roostermaterialen vaak geleverd met een sterkte -afweging als het volgens de RMIT -onderzoekers niet goed is ontworpen.

"Metal 3D -printen is echter een game -wisselaar, waardoor onderzoekers kunnen ontwerpen en fabriceren, zeer innovatief licht en sterke cellulaire metalen," zei Jordan Noronha, een Ph.D. Kandidaat die aan het project bij RMIT werkte.

In cellulaire materialen zijn roosters in drie dimensies verbonden door dunne, massieve staven of stralen die stutten worden genoemd. Door in plaats daarvan holle stutten te gebruiken, wilden de onderzoekers een cellulair materiaal met lage dichtheid net zo sterk maken als een vaste metallische legering met een vergelijkbare dichtheid als magnesiumlegeringen met hoge sterkte.

Het metamateriaal afdrukken

Het onderzoeksteam onder leiding van Ma Qian, een professor bij RMIT's Center for Additive Manufacturing, gebruikte een 3D -printproces genaamd "Laser Powder Bed Fusion" om de titaniummetamaterialen te fabriceren. Deze techniek, die een materiaallaag op laag construeert met behulp van een krachtige laserstraal, wordt vaak gebruikt om complexe productieonderdelen te bereiden van minder dan een millimeter tot bijna twee meter groot.

Qian legde de aanpak van zijn team uit. "Eerst is het hele metamateriaalmonster van het rooster ontworpen als een digitaal model. Vervolgens wordt dit model digitaal in veel dunne lagen gesneden met behulp van een softwaretool."

"Dit op laagjes gebaseerde fabricageproces omvat lasersmelten van metalen poeders, snelle stolling van het vloeibare metaal (de gesmolten metalen poeders) en herhaalde verwarmings- en koelprocessen van het gestold metaal," werkte hij uit.

Qian zegt dat het hele proces momenteel ongeveer 18 uur duurt, maar door optimalisatie is hij en zijn team van plan het tijdsbestek in de toekomst te verkorten.

Wat maakt het materiaal zo sterk?

Holle stutten en dunne platen zijn de twee topologieën die verantwoordelijk zijn voor de hoge sterkte van het metamateriaal. In tegenstelling tot de meeste cellulaire materialen, die zwakke punten bevatten waar stress zich concentreert, verdelen deze twee complementaire roosters gelijkmatig stress en bieden ze ondersteuning.

"Idealiter zou de stress in alle cellulaire materialen gelijkmatig moeten worden verspreid," legde 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 volume materiaal structureel onbeduidend is."

"Dit multi-topologie-ontwerp bevordert ook de afbuiging van scheurpaden om de taaiheid te verbeteren," voegde hij eraan toe. "In plaats van de scheuren die direct door het rooster plaatsvinden, die voorkomen in de meeste cellulaire materialen, werken de stutten en platen in onze dunne-plaat holle rooster-roostertopologie samen om de scheuren langs een langer pad af te leiden."

Magnesiumlegeringen worden momenteel gebruikt in commerciële toepassingen die hoge sterkte en lichtgewicht vereisen. Vergeleken met de sterkste cast magnesiumlegering die beschikbaar is (WE54), is een monster van het titaniummetamateriaal met een vergelijkbare dichtheid veel sterker. Magnesiumlegeringen zijn ook niet vatbaar voor laserpoederbedfusie of 3D -printen vanwege de verdamping van het poeder, waardoor de titaniumlegering een productievoordeel krijgt.

Volgende stappen en potentiële toepassingen

Voordat het materiaal wordt gecommercialiseerd, willen Qian en zijn team eerst ervoor zorgen dat het materiaal op zijn maximale efficiëntie presteert.

Om dit te doen, zijn ze van plan om hun huidige ontwerp te verbeteren om hun titaniummetamaterialen nog meer te versterken en te verlichten. Op basis van numerieke simulaties zullen ze bijvoorbeeld het aandeel dunne platen aanpassen aan holle stutten om een ​​meer uniforme spanningsverdeling door de gehele structuur mogelijk te maken.

Volgens de onderzoekers, als het metamateriaal wordt gefabriceerd uit een titaniumlegering op hoge temperatuur, kan het worden gebruikt bij temperaturen tot 600 graden. Deze functie, samen met zijn corrosieweerstand, maakt het materiaal geschikt voor gebruik in high-speed vliegende vliegtuigen of raketten, die de intense warmte moeten weerstaan ​​die door hun hoge snelheden wordt gegenereerd. Titaniumdrones die werden gebruikt om bosbranden nauwlettend te volgen of te bestrijden, zouden ook profiteren van het lichte gewicht, de sterkte en de hittebestendigheid van het metamateriaal.

Omdat het metamateriaal ook biocompatibel is, kan het ook worden gebruikt in medische hulpmiddelen zoals botimplantaten. De technologie is echter nog niet in dit stadium beschikbaar, dus de goedkeuring door de industrie kan enige tijd duren. "Onze belangrijkste beperking is de exclusiviteit van onze technologie, en de kosten van fabricage kunnen een andere belangrijke zorg zijn," verklaarde Qian.

"Traditionele productieprocessen zijn niet praktisch voor de fabricage van deze ingewikkelde metamaterialen, en niet iedereen heeft een laserpoederbed fusiemachine in hun magazijn," voegde hij eraan toe. "Naarmate de technologie zich ontwikkelt, zal deze echter toegankelijker worden, waardoor een groter publiek onze hoogwaardig multi-topologie-metamaterialen in hun componenten kan implementeren."