チタンベースのメタマテリアルは、自然を超えて強さを解き放ちます。

比類のない強度と汎用性を備えた画期的なチタンメタマテリアルは、製造と高速航空に革命をもたらす可能性があります。

軽量で高強度のチタン材料が設計されており、より強力な医療機器や革新的な車両、宇宙船の設計につながる可能性があります。研究チームは、一般的なチタン合金であるTi -6 al -4 vを使用して、「メタマテリアル」を構築しました。これは、本質的に観察されないユニークな特性を持たない人工材料を記述するために使用される用語です - メタ手段」ギリシャ語で」。

そのような複雑で驚くほど強い構造の多くは、ビクトリア・ウォーター・リリーのように、自然界には存在します。南アメリカ原産のこの巨大な浮遊葉は、その静脈のユニークな格子構造のために大人をサポートするのに十分な強さです。

人工材料の構造は、これらの植物やサンゴのような他の天然多孔質材料を模倣するように設計でき、単純なキューブから複雑なドデカヘドロンまで、さまざまな格子を備えています。これらの格子構造の毛穴は相互接続され、チャネルを形成します。 RMITの研究者によると、「セルラー」材料として知られているこれらの格子材料は、適切に設計されていない場合、強さのトレードオフを伴うことがよくあります。

「しかし、メタル3Dプリンティングはゲームチェンジャーであり、研究者は非常に革新的な光と強力な細胞金属を設計および製造できるようになりました」と博士号、ジョーダンノノハは述べています。 RMITでプロジェクトに取り組んだ候補者。

細胞材料では、格子は、ストラットと呼ばれる薄い固体ロッドまたはビームによって3次元で接続されています。代わりに中空のストラットを使用することにより、研究者は、高強度マグネシウム合金と同様の密度を持つ固体金属合金と同じくらい強力な低密度の細胞材料を作ることを目指しました。

メタマテリアルの印刷

RMITの添加剤製造センターの教授であるMa Qianが率いる研究チームは、「レーザーパウダーベッドフュージョン」と呼ばれる3D印刷プロセスを使用して、チタンメタマテリアルを製造しました。高電力レーザービームを使用して層ごとに材料層を構築するこの手法は、一般に、1ミリメートル未満から約2メートルまでのサイズまでの複雑な製造部品を準備するために使用されます。

Qianは彼のチームのアプローチを説明しました。 「まず、格子メタマテリアルサンプル全体がデジタルモデルとして設計されています。その後、このモデルはソフトウェアツールを使用して多くの薄層にデジタルスライスされます。」

「この層ベースの製造プロセスには、金属粉末のレーザー融解、液体金属の迅速な固化（溶けた金属粉末）、固化した金属の繰り返し加熱と冷却プロセスが含まれます」と彼は詳しく説明しました。

Qianは、プロセス全体が現在約18時間かかると言いますが、最適化により、彼と彼のチームは将来の時間枠を短縮する予定です。

素材をそれほど強くする理由は何ですか？

中空のストラットと薄いプレートは、メタマテリアルの高強度を担当する2つのトポロジーです。ストレスが集中する弱点を含むほとんどの細胞材料とは異なり、これら2つの相補的な格子は、サポートを提供しながらストレスを均等に分布させます。

「理想的には、すべての細胞材料のストレスを均等に広めるべきです」とQian氏は説明しました。 「しかし、ほとんどのトポロジーでは、材料の半分未満が主に圧縮負荷を負担することが一般的ですが、より大きな材料は構造的に重要ではありません。」

「このマルチトポロジーデザインは、タフネスを強化するために亀裂経路のたわみを促進します」と彼は付け加えました。 「ほとんどの細胞材料で発生する格子を介して直接発生する亀裂の代わりに、薄い板の中空の格子トポロジーでは、ストラットとプレートが一緒に動いて、長い経路に沿って亀裂を迂回させます。」

マグネシウム合金は現在、高強度と軽量を必要とする商用用途で使用されています。利用可能な最強の鋳造マグネシウム合金（WE54）と比較して、同等の密度のチタンメタマテリアルのサンプルははるかに強力です。マグネシウム合金は、パウダーの蒸発により、レーザーパウダーベッドの融合や3D印刷にも適していないため、チタン合金に製造の利点が与えられます。

次のステップと潜在的なアプリケーション

材料が商品化される前に、Qianと彼のチームはまず、素材が最大の効率で機能することを保証したいと考えています。

これを行うために、彼らは現在の設計を改善して、チタンのメタマテリアルをさらに強化し、さらに明るくすることを計画しています。たとえば、数値シミュレーションに基づいて、薄いプレートの割合を中空のストラットに調整して、構造全体でより均一な応力分布を可能にします。

研究者によると、メタマテリアルが高温チタン合金から製造されている場合、最大600度の温度で使用できます。この機能は、耐食性とともに、高速で発生した激しい熱に耐えることができなければならない高速飛行航空機またはミサイルでの使用に適しています。山火事を綿密に監視または戦うために使用されるチタンドローンは、メタマテリアルの軽量、強度、耐熱性の恩恵も恩恵を受けます。

メタマテリアルも生体適合性があるため、骨インプラントなどの医療機器でも使用できます。ただし、このテクノロジーはこの段階ではまだ広く利用できないため、業界ごとの採用には時間がかかる場合があります。 「私たちの最も重要な制限は、私たちのテクノロジーの排他性であり、製造のコストは別の重要な関心事である可能性があります」とQianは述べました。

「従来の製造プロセスは、これらの複雑な金属メタマテリアルの製造には実用的ではなく、誰もが倉庫にレーザーパウダーベッド融合機を持っているわけではありません」と彼は付け加えました。 「しかし、テクノロジーが発展するにつれて、よりアクセスしやすくなり、より多くの視聴者がコンポーネントに高強度のマルチトポロジーメタマテリアルを実装できるようになります。」