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

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



RMIT 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的人造多拓?fù)涑�材料是�?strong>常見的鈦合金 Ti-6Al-4V 創(chuàng)建的，具有獨(dú)特的空心支柱晶格 (HLS) 設(shè)計(jì),，可以以較小的重量實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度,。過去，這些超強(qiáng)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(fù)載應(yīng)力的阻礙�,，F(xiàn)在,，科學(xué)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(fù)載應(yīng)力,，提高其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)效率。通過將兩個(gè)互補(bǔ)的晶格拓?fù)浣M合成一個(gè)結(jié)構(gòu),。研究者M(jìn)a Qian教授解釋道:“我們設(shè)計(jì)了一種空心管狀晶格結(jié)構(gòu),，內(nèi)部有一條細(xì)帶。這兩種結(jié)構(gòu)形成了小重量和高強(qiáng)度的特點(diǎn),。通過有效地合并兩個(gè)互補(bǔ)的晶格結(jié)構(gòu)來均勻分布應(yīng)力,，避免了應(yīng)力集中�,！�

研究人員認(rèn)為,，這種新材料可以在一系列應(yīng)用中提供價(jià)值,，包括醫(yī)療植入物和飛機(jī)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(qiáng)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(rèn)為具有高度通用性,、重量輕且堅(jiān)固,。 然而,，盡管研究人員進(jìn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)于鎂合金的機(jī)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(yīng)用,。  

研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度比鑄造鎂合金 WE54 強(qiáng) 50%,，WE54 是航空航天應(yīng)用中使用的類似密度的最強(qiáng)合金,。新結(jié)構(gòu)將集中在晶格最薄弱點(diǎn)的應(yīng)力減半，同時(shí)雙格子設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度,。      


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

該研究的主要作者、皇家墨爾本理工大學(xué)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(shè)計(jì)還可以使用不同類型的 3D 打印機(jī)來制作,。他表示：“與目前在需要高強(qiáng)度和輕量化的商業(yè)應(yīng)用中使用的最強(qiáng)的可用鑄造鎂合金相比,，我們具有相當(dāng)密度的鈦超材料被證明更加堅(jiān)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(qiáng)度，還具有生物相容性,、耐腐蝕和耐熱性,，可耐受高達(dá) 350°C 的溫度，可以應(yīng)用多種領(lǐng)域,，包括骨植入物和關(guān)鍵的航空航天部件,。           

展望未來，RMIT團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)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(yīng)用,。研究人員認(rèn)為，通過使用更耐熱的鈦合金,，該材料可以承受高達(dá) 600°C 的溫度,，非常適合生產(chǎn)消防無人機(jī)。Noronha 補(bǔ)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(qiáng)度多拓?fù)涑�材料�?yīng)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(gè)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(xué)和倫敦帝國理工學(xué)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(qiáng)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(xiàng)研究的最終目標(biāo)是生產(chǎn)堅(jiān)固且耐損傷的材料,。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(xué)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(tuán)隊(duì)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(bào)道，3D 打印工藝為植入物的生產(chǎn)開辟了新的設(shè)計(jì)可能性,，可以滿足患者的特定需求,，例如應(yīng)用部位的機(jī)械應(yīng)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(shè)計(jì)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