Forskare vid RMIT University i Australien har skapat ett 3D-printat metamaterial som är 50 procent starkare än den starkaste legeringen med liknande densitet som används inom rymdindustrin.
Materialet är skapat utifrån en vanlig titanlegering och har en unik gallernätsstruktur, en struktur med inspiration från naturen som ska skapa både låg vikt och styrka. Forskarna har i decennier försökt efterlikna den konstruktion som återfinns i växtriket, men problemet har alltid varit att belastningen koncentrerats på de inre områdena av de ihåliga stöttorna, vilket lett till att strukturen kollapsat.
Optimalt sett skulle belastningen vara jämnt fördelad på hela strukturen, men vid de flesta topologier bär ofta hälften av materialet all belastning och den övriga volymen är strukturellt obetydlig, enligt forskarna.
Fördela spänningen jämnare
Men 3D-printing i metall innebär en innovativ lösning på detta problem. RMIT-teamet lyckades optimera gallerstrukturen och på så sätt fördela belastningen jämnare, vilket förbättrade dess hållfasthet avsevärt.
– Vi designade en ihålig rörformad gallerstruktur som har ett tunt band som löper inuti det. Dessa två element tillsammans innebär en styrka och lätthet som aldrig tidigare setts i naturen, säger Ma Qian, professor vid RMIT University.
Genom att slå ihop dessa två komplementära strukturer fördelas belastningen jämnare och på så sätt kan man undvika att det skapas svaga punkter. Den nya strukturen har halverat den påfrestning som tidigare koncentrerats kring de kända svaga punkterna. Den dubbla gallerstrukturen innebär också minskad risk för sprickor.
För att 3D-printa denna design har forskarna använt en pulverbäddsmetod med laser (L-PBF). De har testat sin design med en 3D-printad kub i titan. Denna var 50 procent starkare än en gjuten magnesiumlegering (WE54), vilket är den starkaste legeringen med liknande densitet som används för applikationer inom flyg- och rymdindustrin.
Ännu högre temperaturer
Strukturen kan 3D-printas i en skala från några millimeter till flera meter i storlek beroende på vilken typ av 3D-skrivare som används. Möjligheten att 3D-printa i kombination med egenskaper som exceptionell styrka, biokompatiblitet samt korrosions- och värmebeständighet gör den till en lovande kandidat för många applikationer, allt ifrån medicinska implantat till delar inom flyg- och rymdindustrin.
Teamet planerar att ytterligare förfina materialet för maximal effektivitet och utforska tillämpningar i miljöer med högre temperaturer. Även om den för närvarande är resistent mot temperaturer så höga som 350 °C, tror de att den kan klara temperaturer upp till 600 °C med hjälp av mer värmebeständiga titanlegeringar, till exempel för drönare som används vid brandbekämpning.
