激光网2月26日消息，3D打印的“超材料”具有自然界或制造业中通常看不到的重量强度，可能会改变我们从医疗植入物到飞机或火箭部件的制造方式。
皇家墨尔本理工大学的研究人员从普通的钛合金中创造了一种新的超材料——一个术语，用于描述一种在自然界中没有观察到的独特特性的人造材料。
但最近在《先进材料》杂志上发表的这种材料独特的晶格结构设计使它变得不常见：测试表明，它比航空航天应用中使用的密度相近的次强合金强50%。
由空心支柱制成的格子结构最初受到大自然的启发：维多利亚睡莲或耐寒的风琴管珊瑚等强壮的空心茎植物向我们展示了将轻盈与力量相结合的方法。
然而，正如RMIT的杰出教授马千所解释的那样，几十年来试图在金属中复制这些空心“多孔结构”，但由于可制造性和负载应力集中在空心支柱内部区域的常见问题而受挫，导致过早失效。
“理想情况下，所有复杂多孔材料中的应力都应该均匀分布，”钱解释说。
“然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料主要承受压载荷，而较大的材料体积在结构上是微不足道的。
金属3D打印为这些问题提供了前所未有的创新解决方案。
通过将3D打印设计推向极限，RMIT团队优化了一种新型晶格结构，以更均匀地分布应力，从而提高其强度或结构效率。
“我们设计了一种空心管状晶格结构，里面有一条细带。这两种元素共同展现了自然界中从未见过的力量和轻盈，“钱说。
“通过有效地合并两个互补的晶格结构以均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的弱点。
该团队在RMIT的先进制造区使用一种称为激光粉末床熔融的工艺3D打印了这一设计，其中金属粉末层使用高功率激光束熔化到位。
测试表明，打印设计 - 钛晶格立方体 - 比铸造镁合金WE54强50%，WE54是航空航天应用中使用的类似密度的最强合金。新结构有效地将集中在晶格臭名昭著的弱点上的应力量减半。
双格子设计还意味着任何裂缝都会沿结构偏转，从而进一步增强韧性。
该研究的主要作者和RMIT博士候选人Jordan Noronha说，他们可以使用不同类型的打印机以几毫米或几米的尺寸制造这种结构。
这种可印刷性，以及强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性，使其成为从骨植入物到飞机或火箭部件等医疗设备等许多应用的有前途的候选者。
“与目前在需要高强度和轻质的商业应用中使用的最强的铸造镁合金相比，我们具有可比密度的钛超材料被证明在压缩载荷下更坚固或更不容易受到永久性形状变化的影响，更不用说制造更可行了，”Noronha说。
该团队计划进一步改进材料以获得最大效率，并探索在高温环境中的应用。
虽然目前可以耐受高达350°C的温度，但他们认为，使用更耐热的钛合金可以使其能够承受高达600°C的温度，用于航空航天或消防无人机的应用。
由于制造这种新材料的技术尚未广泛使用，因此工业界可能需要一些时间才能采用这种技术。
“传统的制造工艺对于制造这些复杂的金属超材料是不切实际的，而且并不是每个人的仓库里都有激光粉末床熔融机，”他说。
“然而，随着技术的发展，它将变得更加容易获得，印刷过程将变得更快，使更多的受众能够在其组件中实现我们的高强度多拓扑超材料。重要的是，金属3D打印可以在实际应用中轻松制造净形状。
RMIT先进制造区技术总监Milan Brandt教授表示，该团队欢迎希望在许多潜在应用上进行合作的公司。
他说：“我们的方法是通过协作设计、知识交流、基于工作的学习、关键问题的解决和研究的转化来识别挑战并创造机会。
