3D プリントされたチタン構造が超自然的な強度を発揮
自然界や製造では通常見られないレベルの重量に対する強度を誇る 3D プリントされた「メタマテリアル」は、医療用インプラントから航空機やロケットの部品に至るまで、あらゆるものの製造方法を変える可能性があります。
研究責任者のジョーダン・ノローニャ氏はチタン格子立方体を手にしている。画像提供: RMIT大学
RMIT大学の研究者は、一般的なチタン合金から新しいメタマテリアル（自然界では観察されない独特の特性を持つ人工材料を表すのに使用される用語）を作成しました。
しかし、この材料を一般的ではないものにしているのは、最近アドバンスト マテリアルズ誌で最近明らかになった、この材料の独特な格子構造設計です。試験によると、この材料は、航空宇宙用途で使用される同様の密度の次に強い合金よりも 50% 強いことが示されています。
自然のデザインを改善する
中空の支柱で作られた格子構造は、もともと自然からインスピレーションを得たものでした。ビクトリア スイレンや丈夫なオルガン パイプ サンゴ (ツビポラ ムジカ) などの丈夫な中空の茎の植物は、軽さと強度を組み合わせる方法を私たちに教えてくれました。
しかし、RMITの特別教授Ma Qian氏が説明するように、金属でこれらの中空「セル構造」を再現しようとする数十年は、製造性と中空支柱の内側領域に集中する負荷応力という共通の問題によって挫折し、早期破損につながりました。
「理想的には、すべての複雑な細胞材料の応力が均等に分散されるべきです」と Qian 氏は説明しました。
「しかし、ほとんどのトポロジでは、主に圧縮荷重に耐えるのは材料の半分未満であるのが一般的であり、材料のより大きな体積は構造的に重要ではありません。」
金属 3D プリンティングは、これらの問題に対して前例のない革新的なソリューションを提供します。
RMIT チームは 3D プリンティング設計を限界まで推し進めることで、新しいタイプの格子構造を最適化し、応力をより均一に分散させ、強度や構造効率を向上させました。
「私たちは、その内部に薄いバンドを備えた中空の管状格子構造を設計しました。これら 2 つの要素が一緒になると、これまで自然界で同時に見たことのない強度と軽さを示します。」と Qian 氏は述べています。
「2 つの相補的な格子構造を効果的に結合して応力を均等に分散することで、通常応力が集中する弱点を回避します。」
レーザーパワーによる強さ
チームは、RMIT の高度製造分署で、高出力のレーザー ビームを使用して金属粉末の層を所定の位置に溶かすレーザー粉末床融合と呼ばれるプロセスを使用して、このデザインを 3D プリントしました。
テストの結果、印刷されたデザイン (チタン格子立方体) は、航空宇宙用途で使用される同様の密度の最も強力な合金である鋳造マグネシウム合金 WE54 よりも 50% 強いことがわかりました。新しい構造により、格子の悪名高い弱点に集中する応力の量が効果的に半分になりました。
二重格子設計により、亀裂が構造に沿って偏向され、靭性がさらに向上します。
研究の筆頭著者でRMITの博士号取得候補者であるジョーダン・ノローニャ氏は、さまざまな種類のプリンターを使用すれば、この構造を数ミリメートルまたは数メートルのサイズで作成できると述べた。
この印刷適性と、強度、生体適合性、耐食性、耐熱性により、骨インプラントなどの医療機器から航空機やロケットの部品に至るまで、多くの用途の有望な候補となっています。
「高強度と軽量を必要とする商業用途で現在使用されている最も強力な鋳造マグネシウム合金と比較して、同等の密度を備えた当社のチタンメタマテリアルは、はるかに強いか、圧縮荷重下での永久的な形状変化の影響を受けにくいことが示されており、言うまでもなく、製造しています」とノローニャ氏は語った。
チームは、効率を最大化するために材料をさらに改良し、高温環境での用途を検討する予定です。
現在は 350 度の高温に耐えられますが、航空宇宙や消防ドローンでの用途には、より耐熱性の高いチタン合金を使用して 600 度までの温度に耐えられるようにすることも可能だと考えています。
この新素材を製造する技術はまだ広く普及していないため、産業界での採用にはしばらく時間がかかる可能性があります。
「従来の製造プロセスは、このような複雑な金属メタマテリアルの製造には現実的ではありません。また、誰もが倉庫にレーザー粉末床融合機を持っているわけではありません」と彼は言いました。
「しかし、技術が発展するにつれて、より利用しやすくなり、印刷プロセスがはるかに高速になり、より多くの人々が当社の高強度マルチトポロジーメタマテリアルをコンポーネントに実装できるようになります。重要なのは、金属 3D 印刷により、ネットシェイプの製造が容易になることです」実際のアプリケーションのために。」
RMITの先端製造部門のテクニカルディレクターであるミラン・ブラント特別教授は、チームは多くの潜在的なアプリケーションで協力したい企業を歓迎すると述べた。
「私たちのアプローチは、共同設計、知識交換、作業ベースの学習、重要な問題解決、研究の翻訳を通じて課題を特定し、機会を創出することです」と同氏は述べた。