Zespół naukowców z Royal Melbourne Institute of Technology opracował technologię wytwarzania przyrostowego nowego metamateriału opartego na wysoko wytrzymałej strukturze lattice.
Metamateriały wytwarzane addytywnie to materiały o strukturze komórkowej, projektowane z uwzględnieniem innowacji strukturalnych w celu uzyskania niewystępujących naturalnie właściwości mechanicznych i nietypowych funkcjonalności. Do budowy tego metamateriału wykorzystano stop tytanu Ti-6Al-4V i technologię druku laserowego w łożu proszkowym (LPBF).
Konstrukcja metamateriału oparta jest na nowej koncepcji struktury lattice, łączącej zalety struktur HSL (hollow-strut lattice) i TPL (thin-plate lattice). Otrzymywane dotychczas wysoko wytrzymałe próbki struktur HSL charakteryzowały się dużą koncentracją naprężeń w rejonie węzłów, gdzie przecinają się rurki o okrągłym przekroju. Z kolei proste struktury sieciowe typu TPL, złożone z kostek o przecinających się w obrębie narożnika płytkach, nie były szczególnie wytrzymałe, za to charakteryzowały się równomiernym rozkładem naprężeń. Nowy metamateriał skomponowano w oparciu o połączenie geometrii HSL i TPL, z płaszczyznami struktur TPL przebiegającymi w poprzek rurek struktur HSL i przecinającymi się w środku węzłów.
Z przeprowadzonych badań na wydrukowanych w 3D próbkach wynika, że nowy metamateriał jest o 50% wytrzymalszy od litego stopu magnezu WE54 o porównywalnej gęstości (1,8 vs. 1,85 g/cm3). Próby niszczące wykazały, że połączenie geometrii struktur HSL-TPL załamuje i odpiera powstające pod obciążeniem naprężenia i ogranicza propagację pęknięć. Dla próbki o gęstości 1,8 g/cm3 odnotowano granicę plastyczności 250 MPa, wytrzymałość na ściskanie 376 MPa i moduł sprężystości 11 GPa.
Tak lekki i wytrzymały metamateriał może stanowić alternatywę dla superlekkich stopów stosowanych w lotnictwie, przemyśle kosmicznym czy protetyce. Ograniczeniem dla upowszechnienia tego typu wynalazków jest wciąż niewielka dostępność technologii przyrostowych. W miarę rozwoju możliwości produkcyjnych druku 3D przewidywana jest popularyzacja struktur lattice i metamateriałów w zastosowaniach konstrukcyjnych.
rmit.edu.au
Noronha J. Et al.: Titanium Multi‐Topology Metamaterials with Exceptional Strength. Advanced Materials, 2024, 10.1002/adma.202308715.
