3D打印鈦在強度應用方面的突破

魔猴君  科技前沿   286天前

前言：RMIT大學揭示了金屬3D打印裝置的多拓撲晶格設計，以推動輕量化工業(yè)應用的新時代。

科學不斷追求復制自然。像珊瑚和一些植物這樣的輕質(zhì)但極其堅固的結構往往無法用現(xiàn)代制造來復制它們。

3D打印金屬的逐層工藝為更接近地模仿自然界中生長的晶格狀結構打開了大門。以澳大利亞皇家墨爾本理工大學開發(fā)的新型鈦結構為例，該結構結合了創(chuàng)新的幾何形狀和材料，其強度比航空航天應用中使用的類似密度的最強合金強50%。

該大學表示，這一突破“可能會改變我們制造從醫(yī)療植入物到飛機或火箭部件等各種物品的方式。”

壓縮測試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色應力集中，而（右）雙晶格結構更均勻地分散應力以避免熱點（來源：RMIT）

新的鈦結構被稱為超材料，這意味著它是一種具有自然界中未觀察到的獨特性能的人造材料。這個術語有點誤導，因為它指的不僅僅是實際的“材料”，即常見的鈦合金（Ti-6Al-4V）。它是材料和幾何形狀的組合。

事實上，它的形狀讓研究人員感到興奮。晶格結構廣泛用于金屬3D打印，但輕質(zhì)晶格的頂峰是晶格支柱本身是空心管，使用的材料甚至更少。

據(jù)皇家墨爾本理工大學介紹，該大學的杰出教授馬前花了幾十年的時間試圖在金屬中復制這些空心蜂窩結構，但由于可制造性和負載應力集中在空心支柱內(nèi)部區(qū)域等常見問題而感到沮喪，從而導致過早失效。

“理想情況下，所有復雜細胞材料中的壓力應該均勻分布，”錢在皇家墨爾本理工大學博客上解釋道?！叭欢?，對于大多數(shù)拓撲結構來說，通常只有不到一半的材料主要承受壓縮載荷，而較大體積的材料在結構上無關緊要?！?/span>

左起：皇家墨爾本理工大學增材制造中心的Martin Leary教授、馬前教授、Jordan Noronha和Milan Brandt教授（來源：RMIT）

但新的RMIT鈦結構卻并非如此，它可以更均勻地分布應力，從而提高其強度和結構效率。

“我們設計了一種空心管狀晶格結構，內(nèi)部有一條細帶。這兩種元素一起展現(xiàn)了自然界中從未見過的力量和輕盈?！卞X說。“通過有效地合并兩個互補的晶格結構來均勻分布應力，我們避免了應力通常集中的弱點。”

研究人員表示，雙晶格設計還意味著任何裂紋都會沿著結構偏轉(zhuǎn)，從而進一步增強韌性。

研究主要作者、皇家墨爾本理工大學博士生喬丹·諾羅尼亞(Jordan Noronha)表示，他們可以使用不同類型的打印機制造出幾毫米或幾米大小的結構。

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從骨植入物到飛機或火箭部件等醫(yī)療設備的許多應用的有前途的候選者。

這種結構只能通過3D打印實現(xiàn)。研究人員使用Nikon SLM Solutions 250HL激光粉末床熔融3D打印機。

“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，”諾羅尼亞說。

該團隊計劃進一步改進該材料以實現(xiàn)最大效率，并探索在更高溫度環(huán)境中的應用。

雖然目前可耐受高達350°C的溫度，但他們相信使用更耐熱的鈦合金可以使其耐受高達600°C的溫度，用于航空航天或消防無人機中的應用。

“隨著技術的發(fā)展，它將變得更容易使用，打印過程將變得更快，使更多的受眾能夠在他們的組件中實現(xiàn)我們的高強度多拓撲超材料，”Noronha說?！爸匾氖?，金屬3D打印可以輕松實現(xiàn)實際應用的凈形狀制造?！?/span>

訪問發(fā)表在《先進材料》雜志上的完整研究。

編譯整理：ALL3DP