科學家們正在利用3D列印技術製造超強鈦結構，有望用於醫療植入物、航空航天零件等領域。
皇家墨爾本理工大學的研究人員創造的一種新的“超材料”具有非凡的強度重量比，有望改變從醫療植入物到飛機或火箭部件的所有製造方式。
這種超材料由普通的鈦合金製成，但其獨特的網狀結構設計使其效能優異。 測試表明，它比航空航天應用中使用的具有類似密度的最強合金強 50%。
靈感來自自然世界
最初靈感來自自然世界，這種空心柱子網狀物與堅固的空心植物（如維多利亞女王蓮花和 tubipora musica）一起展示了輕盈和力量。
然而，正如皇家墨爾本理工大學（RMIT University）傑出教授錢馬（Qian ）所解釋的那樣，幾十年來，在金屬中複製這些空心“孔結構”的嘗試一直受到製造挑戰和空心支柱內部區域負載應力集中導致的過早失效的挫折。
理想情況下，所有複雜蜂窩材料的應力應該均勻分布，“Qian解釋道。 “然而，對於大多數拓撲結構來說，通常只有不到一半的材料承受著巨大的壓縮載荷，而且大多數材料在結構上並不重要。 ”
金屬3D列印技術為這些問題提供了前所未有的創新解決方案。
通過將3D列印設計推向極限，RMIT團隊優化了一種新型的網狀結構，以更均勻地分布應力，從而提高其強度或結構效率。
我們設計了一種空心管狀網狀結構，內部有一條細帶。 這兩種元素共同展現了自然界中從未見過的強度和輕盈度，“錢說。 “通過有效地融合兩個互補的網格結構來均勻分布應力，我們避免了應力通常集中的薄弱環節。 ”
雷射輔助強度
他們在RMIT的先進製造領域使用雷射粉末床熔融技術3D列印了設計，該技術使用高功率雷射束將金屬粉末層融合在一起。
測試表明，這種印刷的鈦網格立方體比WE54強50%，WE54是一種類似強度的鑄造鎂合金，是航空航天應用中使用的最強合金。 新結構有效地將集中在電網薄弱環節的應力減半。
雙網格設計還意味著任何裂縫都會沿著結構偏轉，從而進一步提高韌性。
該研究的主要作者、RMIT的博士生喬丹·諾羅尼亞（Jordan Noronha）表示，他們可以使用不同型別的印表機將結構尺寸縮小到幾公釐到幾公尺。
這種可印刷性，以及強度、生物相容性、耐腐蝕性和耐熱性，使其成為許多應用的有前途的候選者，從骨植入物等醫療裝置到飛機或火箭部件。
與目前在具有高強度和重量要求的商業應用中使用的最強鑄造鎂合金相比，具有相同密度的鈦超材料表現出更高的強度或在壓縮載荷下不易發生永久變形，並且製造更可行，“Noronha說。
該團隊計畫進一步改進材料以獲得最大效率，並探索其在高溫環境中的應用。
儘管該材料目前可以承受高達350°C的溫度，但他們認為，使用更耐熱的鈦合金可以使其耐受高達600°C的溫度，用於航空航天或消防無人機。 由於製造這種新材料的技術尚未廣泛使用，工業界可能需要一些時間才能採用它。
傳統的製造工藝不適合製造這些複雜的金屬超材料，而且並不是每個人的倉庫裡都有雷射粉末床熔化器，“他說。 “然而，隨著技術的進步，它將變得更加容易獲得，印刷過程將變得更加快速，使更多的人能夠將我們的這種高強度多拓撲超材料應用於他們的元件。 重要的是，金屬 3D 列印允許在實際應用中輕鬆製造淨成形。 ”
RMIT先進製造區技術總監、特聘教授Milan Brandt表示，該團隊歡迎希望在多個潛在應用上進行合作的公司。 他說：“我們的方法是通過協作設計、知識交流、研討會學習、關鍵問題解決和研究轉化來識別挑戰並創造機會。