3D打印鈦在強(qiáng)度應(yīng)用方面的突破

魔猴君  科技前沿   286天前

前言：RMIT大學(xué)揭示了金屬3D打印裝置的多拓?fù)渚Ц裨O(shè)計(jì)，以推動(dòng)輕量化工業(yè)應(yīng)用的新時(shí)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(jiān)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(zhǎng)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(qiáng)度比航空航天應(yīng)用中使用的類似密度的最強(qiáng)合金強(qiáng)50%。

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

壓縮測(cè)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(diǎn)（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(dú)特性能的人造材料。這個(gè)術(shù)語有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)樗傅牟粌H僅是實(shí)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(shí)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(shí)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(fù)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(xì)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?！叭欢?，對(duì)于大多數(shù)拓?fù)浣Y(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?！?/span>

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(qiáng)度和結(jié)構(gòu)效率。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種空心管狀晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一條細(xì)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?！巴ㄟ^有效地合并兩個(gè)互補(bǔ)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(diǎn)。”

研究人員表示，雙晶格設(shè)計(jì)還意味著任何裂紋都會(huì)沿著結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(shí)現(xiàn)。研究人員使用Nikon SLM Solutions 250HL激光粉末床熔融3D打印機(jī)。

“與目前在需要高強(qiáng)度和輕量化的商業(yè)應(yīng)用中使用的最強(qiáng)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(jiān)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)該材料以實(shí)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(dá)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(dá)600°C的溫度，用于航空航天或消防無人機(jī)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(shí)現(xiàn)我們的高強(qiáng)度多拓?fù)涑牧?，”Noronha說?！爸匾氖?，金屬3D打印可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的凈形狀制造?！?/span>

訪問發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的完整研究。

編譯整理：ALL3DP