3D打印鈦在強度應(yīng)用方面的突破

魔猴君  科技前沿   256天前

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

科學(xué)不斷追求復(fù)制自然。像珊瑚和一些植物這樣的輕質(zhì)但極其堅固的結(jié)構(gòu)往往無法用現(xiàn)代制造來復(fù)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(jié)構(gòu)打開了大門。以澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)開發(fā)的新型鈦結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了創(chuàng)新的幾何形狀和材料，其強度比航空航天應(yīng)用中使用的類似密度的最強合金強50%。

該大學(xué)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(yīng)力集中，而（右）雙晶格結(jié)構(gòu)更均勻地分散應(yīng)力以避免熱點（來源：RMIT）

新的鈦結(jié)構(gòu)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(shù)語有點誤導(dǎo)，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(jié)構(gòu)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(xué)介紹，該大學(xué)的杰出教授馬前花了幾十年的時間試圖在金屬中復(fù)制這些空心蜂窩結(jié)構(gòu)，但由于可制造性和負載應(yīng)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(dǎo)致過早失效。

“理想情況下，所有復(fù)雜細胞材料中的壓力應(yīng)該均勻分布，”錢在皇家墨爾本理工大學(xué)博客上解釋道。“然而，對于大多數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上無關(guān)緊要。”

左起：皇家墨爾本理工大學(xué)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(jié)構(gòu)卻并非如此，它可以更均勻地分布應(yīng)力，從而提高其強度和結(jié)構(gòu)效率。

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

研究人員表示，雙晶格設(shè)計還意味著任何裂紋都會沿著結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)。

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(shè)備的許多應(yīng)用的有前途的候選者。

這種結(jié)構(gòu)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(yīng)用中使用的最強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(yīng)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(yīng)用。

“隨著技術(shù)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。“重要的是，金屬3D打印可以輕松實現(xiàn)實際應(yīng)用的凈形狀制造。”

訪問發(fā)表在《先進材料》雜志上的完整研究。

編譯整理：ALL3DP