澳洲科學家利用3D列印技術開發強韌的鈦合金超材料

 

刊登日期:2024/4/11
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澳洲皇家墨爾本理工大學(RMIT)利用3D列印技術,以一般的鈦合金作為材料,成功製造出一種具有前所未有強韌性能之人造超材料(Meta Material)。新材料係將管狀空心柱格子狀排列的結構與薄板格子狀排列的結構整合而成的雙格子結構,實現了極高的強度重量比。3D列印技術採用了「雷射粉床熔融技術」,尺寸可由數毫米擴大至數公尺。

隨著3D列印等積層製造技術的發展,超材料的研究與開發越來越熱門,不僅可以創造出自然中不存在的結構,也可以生產以傳統製造技術難以完成的結構,其中即包括了以格子狀排列之空心支柱組成的結構「HSL (Hollow-Strut Lattice)」。此結構基於高強度與輕量化,具有優異的重量比強度,可望發揮微流體等新的機能特性。

HSL係從維多利亞睡蓮等莖為空心的植物以及風琴管珊瑚等強韌堅固的動植物中獲得靈感,數十年來相關研究不斷地嘗試人工重建此類構造。然而,除了製造性的課題之外,由於在荷重條件下中空支柱接頭會出現應力集中現象,產生構造強度上的問題,以致技術未必能成功。此外,在結構複雜的超材料中應力均勻分布雖為理想情況,但僅有不到一半的材料支撐著壓縮負荷,造成大部分材料無法發揮結構上的作用。

為了更均勻地分散應力並提高結構效率,除了HSL之外,研究團隊提出了將薄板組成格子狀的TPL(Thin-plate Lattice)整合至HSL中,進而形成雙格子結構體TP-HSL。此外,3D列印採用了以高功率雷射光束熔化金屬粉末層並依序成形之雷射粉床熔融黏合技術,並以Ti-6Al-4V合金粉末進行TP-HSL超材料成形,結果顯示可在負載施加的過程中均勻分布應力,避免出現如龜裂等應力集中造成的問題。

新開發的超材料擁有1.0~1.8 g/cm3極輕的材料密度,且相較航太領域使用的鑄造鎂合金「WE54」,強度高出50%。由於利用規模可從數毫米放大至數公尺,且利用鈦合金的高比強度、生物相容性、耐腐蝕性、耐熱性等特性,可望適用於骨骼植入等醫材,或是航太與機器人零件等廣泛領域。


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/240312_titanium-structure.html
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