皇家墨尔本理工大学：新型3D打印晶格超材料，比领先的航空航天合金强度高50%

      2024年2月，皇家墨尔本理工大学(RMIT)的研究人员3D 打印了一种钛结构，其强度比为航空航天应用开发的具有相似密度的最强合金强 50%。 这种高强度结构是一种“超材料”，经过专门设计，具有独特的机械和多功能特性。  团队的研究结果题为《Titanium Multi-Topology Metamaterials with Exceptional Strength》（《具有卓越强度的钛多拓扑超材料》），已发表在《Advanced Materials》杂志上。



       RMIT 团队开发的人造多拓扑超材料是由常见的钛合金 Ti-6Al-4V 创建的，具有独特的空心支柱晶格 (HLS) 设计，可以以较小的重量实现高强度。过去，这些超强晶格的生产一直受到可制造性限制和集中在空心支柱内部的负载应力的阻碍。现在，科学家们使用增材制造技术成功克服了这些挑战。  

       新型 3D 打印优化空心支柱晶格 (HLS) 结构通过粉末床熔合 (PBF) 生产，旨在均匀分布负载应力，提高其强度和结构效率。通过将两个互补的晶格拓扑组合成一个结构。研究者Ma Qian教授解释道:“我们设计了一种空心管状晶格结构，内部有一条细带。这两种结构形成了小重量和高强度的特点。通过有效地合并两个互补的晶格结构来均匀分布应力，避免了应力集中。”

研究人员认为，这种新材料可以在一系列应用中提供价值，包括医疗植入物和飞机或火箭零件的生产。   


△研究文员Jordan Noronha手拿以立方体形式 3D 打印的新型钛晶格结构样品

新型 3D 打印超强晶格结构

具有空心支柱的网格结构长期以来被认为具有高度通用性、重量轻且坚固。 然而，尽管研究人员进行了广泛的研究，过去的金属晶格超材料未能在相似密度下实现优于镁合金的机械性能。这限制了它们在需要高承载和耐热或耐腐蚀特性的更广泛的工业应用。  

研究团队的PBF 3D打印钛晶格立方克服了这些限制。研究发现，这种新型超材料的强度比铸造镁合金 WE54 强 50%，WE54 是航空航天应用中使用的类似密度的最强合金。新结构将集中在晶格最薄弱点的应力减半，同时双格子设计进一步增强了结构的机械强度。      


△压缩测试显示（左）空心支柱晶格上的红色和黄色代表应力集中，而双晶格结构更均匀地分散应力（右）

该研究的主要作者、皇家墨尔本理工大学博士生Jordan Noronha表示，新的超材料结构可以 3D 打印出从几毫米到几米的各种尺寸。此外，该设计还可以使用不同类型的 3D 打印机来制作。他表示：“与目前在需要高强度和轻量化的商业应用中使用的最强的可用铸造镁合金相比，我们具有相当密度的钛超材料被证明更加坚固或不易在压缩载荷下发生永久形状变化，更不用说更可行了制造。”

这种可 3D 打印的晶格结构不仅具有高强度，还具有生物相容性、耐腐蚀和耐热性，可耐受高达 350°C 的温度，可以应用多种领域，包括骨植入物和关键的航空航天部件。           

展望未来，RMIT团队计划进一步优化超材料，以提高其效率并探索在更高温度环境下的应用。研究人员认为，通过使用更耐热的钛合金，该材料可以承受高达 600°C 的温度，非常适合生产消防无人机。Noronha 补充说，随着 PBF 技术变得越来越容易使用以及 3D 打印速度的提高，越来越多的公司将寻求将这些高强度多拓扑超材料应用到其组件中。


△RMIT 增材制造中心的 Martin Leary 教授、Ma Qian教授、Jordan Noronha 和 Milan Brandt 教授

3D打印金属晶格的发展
RMIT 的研究人员并不是第一个探索 3D 打印在高度耐用的金属晶格生产中的作用的人。  

2019年谢菲尔德大学和伦敦帝国理工学院(ICL)的研究人员此前开发了 3D 打印的晶体超材料，具有高耐用性和耐损伤能力。 3D 打印的“元晶体”具有新颖的晶格成分，可以模仿晶体的超强内部结构。研究人员将多晶微结构融入到他们的金属合金3D 打印晶格中。这项研究的最终目标是生产坚固且耐损伤的材料。 经过实验测试，研究人员发现 3D 打印部件具有高能量吸收性。3D 打印部件能够承受的能量是模仿单晶结构材料的七倍。  

2023年3月亚琛工业大学的数字增材生产中心 (DAP) 正在研究一种用于晶格结构的新型锌镁合金组合。 DAP 团队正在使用激光束粉末床融合 (LB-PBF) 来 3D 打印晶格，这为生产生物可吸收骨植入物提供了潜力。据报道，3D 打印工艺为植入物的生产开辟了新的设计可能性，可以满足患者的特定需求，例如应用部位的机械应力和腐蚀行为。


△由 PLA 制成的下颌模型，带有基于 RWTH DAP 新开发的设计和合金概念增材制造的 ZnMg 缺损种植体

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202308715