科学家们正在利用3D打印技术制造超强钛结构，有望用于医疗植入物、航空航天零件等领域。
皇家墨尔本理工大学的研究人员创造的一种新的“超材料”具有非凡的强度重量比，有望改变从医疗植入物到飞机或火箭部件的所有制造方式。
这种超材料由普通的钛合金制成，但其独特的网状结构设计使其性能优异。 测试表明，它比航空航天应用中使用的具有类似密度的最强合金强 50%。
灵感来自自然世界
最初灵感来自自然世界，这种空心柱子网状物与坚固的空心植物（如维多利亚女王莲花和 tubipora musica）一起展示了轻盈和力量。
然而，正如皇家墨尔本理工大学（RMIT University）杰出教授钱马（Qian ）所解释的那样，几十年来，在金属中复制这些空心“孔结构”的尝试一直受到制造挑战和空心支柱内部区域负载应力集中导致的过早失效的挫折。
理想情况下，所有复杂蜂窝材料的应力应该均匀分布，“Qian解释道。 “然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料承受着巨大的压缩载荷，而且大多数材料在结构上并不重要。 ”
金属3D打印技术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的网状结构，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网状结构，内部有一条细带。 这两种元素共同展现了自然界中从未见过的强度和轻盈度，“钱说。 “通过有效地融合两个互补的网格结构来均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的薄弱环节。 ”
激光辅助强度
他们在RMIT的先进制造领域使用激光粉末床熔融技术3D打印了设计，该技术使用高功率激光束将金属粉末层融合在一起。
测试表明，这种印刷的钛网格立方体比WE54强50%，WE54是一种类似强度的铸造镁合金，是航空航天应用中使用的最强合金。 新结构有效地将集中在电网薄弱环节的应力减半。
双网格设计还意味着任何裂缝都会沿着结构偏转，从而进一步提高韧性。
该研究的主要作者、RMIT的博士生乔丹·诺罗尼亚（Jordan Noronha）表示，他们可以使用不同类型的打印机将结构尺寸缩小到几毫米到几米。
这种可印刷性，以及强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性，使其成为许多应用的有前途的候选者，从骨植入物等医疗设备到飞机或火箭部件。
与目前在具有高强度和重量要求的商业应用中使用的最强铸造镁合金相比，具有相同密度的钛超材料表现出更高的强度或在压缩载荷下不易发生永久变形，并且制造更可行，“Noronha说。
该团队计划进一步改进材料以获得最大效率，并探索其在高温环境中的应用。
尽管该材料目前可以承受高达350°C的温度，但他们认为，使用更耐热的钛合金可以使其耐受高达600°C的温度，用于航空航天或消防无人机。 由于制造这种新材料的技术尚未广泛使用，工业界可能需要一些时间才能采用它。
传统的制造工艺不适合制造这些复杂的金属超材料，而且并不是每个人的仓库里都有激光粉末床熔化器，“他说。 “然而，随着技术的进步，它将变得更加容易获得，印刷过程将变得更加快速，使更多的人能够将我们的这种高强度多拓扑超材料应用于他们的组件。 重要的是，金属 3D 打印允许在实际应用中轻松制造净成形。 ”
RMIT先进制造区技术总监、特聘教授Milan Brandt表示，该团队欢迎希望在多个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、研讨会学习、关键问题解决和研究转化来识别挑战并创造机会。