皇家墨爾本理工大學：新型3D打印晶格超材料，比領先的航空航天合金強度高 50%

2024年2月，南極熊獲悉，皇家墨爾本理工大學(RMIT)的研究人員3D 打印了一種鈦結(jié)構(gòu)，其強度比為航空航天應用開發(fā)的具有相似密度的最強合金強 50%。 這種高強度結(jié)構(gòu)是一種“超材料”，經(jīng)過專門設計，具有獨特的機械和多功能特性。  團隊的研究結(jié)果題為《Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength》（《具有卓越強度的鈦多拓撲超材料》），已發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上。



RMIT 團隊開發(fā)的人造多拓撲超材料是由常見的鈦合金 Ti-6Al-4V 創(chuàng)建的，具有獨特的空心支柱晶格 (HLS) 設計，可以以較小的重量實現(xiàn)高強度。過去，這些超強晶格的生產(chǎn)一直受到可制造性限制和集中在空心支柱內(nèi)部的負載應力的阻礙�，F(xiàn)在，科學家們使用增材制造技術(shù)成功克服了這些挑戰(zhàn)。  

新型 3D 打印優(yōu)化空心支柱晶格 (HLS) 結(jié)構(gòu)通過粉末床熔合 (PBF) 生產(chǎn)，旨在均勻分布負載應力，提高其強度和結(jié)構(gòu)效率。通過將兩個互補的晶格拓撲組合成一個結(jié)構(gòu)。研究者Ma Qian教授解釋道:“我們設計了一種空心管狀晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一條細帶。這兩種結(jié)構(gòu)形成了小重量和高強度的特點。通過有效地合并兩個互補的晶格結(jié)構(gòu)來均勻分布應力，避免了應力集中�！�

研究人員認為，這種新材料可以在一系列應用中提供價值，包括醫(yī)療植入物和飛機或火箭零件的生產(chǎn)。   


△研究文員Jordan Noronha手拿以立方體形式 3D 打印的新型鈦晶格結(jié)構(gòu)樣品

新型 3D 打印超強晶格結(jié)構(gòu)

具有空心支柱的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)長期以來被認為具有高度通用性、重量輕且堅固。 然而，盡管研究人員進行了廣泛的研究，過去的金屬晶格超材料未能在相似密度下實現(xiàn)優(yōu)于鎂合金的機械性能。這限制了它們在需要高承載和耐熱或耐腐蝕特性的更廣泛的工業(yè)應用。  

研究團隊的PBF 3D打印鈦晶格立方克服了這些限制。研究發(fā)現(xiàn)，這種新型超材料的強度比鑄造鎂合金 WE54 強 50%，WE54 是航空航天應用中使用的類似密度的最強合金。新結(jié)構(gòu)將集中在晶格最薄弱點的應力減半，同時雙格子設計進一步增強了結(jié)構(gòu)的機械強度。      


△壓縮測試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色代表應力集中，而雙晶格結(jié)構(gòu)更均勻地分散應力（右）

該研究的主要作者、皇家墨爾本理工大學博士生Jordan Noronha表示，新的超材料結(jié)構(gòu)可以 3D 打印出從幾毫米到幾米的各種尺寸。此外，該設計還可以使用不同類型的 3D 打印機來制作。他表示：“與目前在需要高強度和輕量化的商業(yè)應用中使用的最強的可用鑄造鎂合金相比，我們具有相當密度的鈦超材料被證明更加堅固或不易在壓縮載荷下發(fā)生永久形狀變化，更不用說更可行了制造�！�

這種可 3D 打印的晶格結(jié)構(gòu)不僅具有高強度，還具有生物相容性、耐腐蝕和耐熱性，可耐受高達 350°C 的溫度，可以應用多種領域，包括骨植入物和關鍵的航空航天部件。           

展望未來，RMIT團隊計劃進一步優(yōu)化超材料，以提高其效率并探索在更高溫度環(huán)境下的應用。研究人員認為，通過使用更耐熱的鈦合金，該材料可以承受高達 600°C 的溫度，非常適合生產(chǎn)消防無人機。Noronha 補充說，隨著 PBF 技術(shù)變得越來越容易使用以及 3D 打印速度的提高，越來越多的公司將尋求將這些高強度多拓撲超材料應用到其組件中。


△RMIT 增材制造中心的 Martin Leary 教授、Ma Qian教授、Jordan Noronha 和 Milan Brandt 教授

3D打印金屬晶格的發(fā)展
RMIT 的研究人員并不是第一個探索 3D 打印在高度耐用的金屬晶格生產(chǎn)中的作用的人。  

2019年謝菲爾德大學和倫敦帝國理工學院(ICL)的研究人員此前開發(fā)了 3D 打印的晶體超材料，具有高耐用性和耐損傷能力。 3D 打印的“元晶體”具有新穎的晶格成分，可以模仿晶體的超強內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究人員將多晶微結(jié)構(gòu)融入到他們的金屬合金3D 打印晶格中。這項研究的最終目標是生產(chǎn)堅固且耐損傷的材料。 經(jīng)過實驗測試，研究人員發(fā)現(xiàn) 3D 打印部件具有高能量吸收性。3D 打印部件能夠承受的能量是模仿單晶結(jié)構(gòu)材料的七倍。  

2023年3月亞琛工業(yè)大學的數(shù)字增材生產(chǎn)中心 (DAP) 正在研究一種用于晶格結(jié)構(gòu)的新型鋅鎂合金組合。 DAP 團隊正在使用激光束粉末床融合 (LB-PBF) 來 3D 打印晶格，這為生產(chǎn)生物可吸收骨植入物提供了潛力。據(jù)報道，3D 打印工藝為植入物的生產(chǎn)開辟了新的設計可能性，可以滿足患者的特定需求，例如應用部位的機械應力和腐蝕行為。


△由 PLA 制成的下頜模型，帶有基于 RWTH DAP 新開發(fā)的設計和合金概念增材制造的 ZnMg 缺損種植體

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202308715