導(dǎo)讀：3D打印"超材料"擁有自然界或傳統(tǒng)制造業(yè)中罕見的強(qiáng)度與重量比，它可能徹底改變我們生產(chǎn)從醫(yī)療植入物到飛機(jī)、火箭部件等各種產(chǎn)品的方式。

博士生Jordan Noronha拿著以立方體形式3D打印的新型鈦晶格結(jié)構(gòu)樣品，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

2024年2月27日，據(jù)資源庫(kù)了解，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的研究人員利用常見的鈦合金創(chuàng)造了這種新型超材料。所謂“超材料”是指那些擁有自然界中未曾觀察到的獨(dú)特性質(zhì)的人造材料。

這種材料之所以與眾不同，關(guān)鍵在于其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相關(guān)論文最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。根據(jù)測(cè)試顯示，這種材料的強(qiáng)度比在航空航天領(lǐng)域使用的相似密度合金高出50%。

研究團(tuán)隊(duì)從空心睡蓮和風(fēng)琴管珊瑚中汲取靈感，以空心支柱網(wǎng)格作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)而探索如何降低連接點(diǎn)處應(yīng)力集中的方法。“理想情況下，所有復(fù)雜的細(xì)胞材料中的壓力都應(yīng)均勻分布，”該研究的主要作者、資深教授Ma Qian表示?！叭欢?，在大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，往往只有不到一半的材料主要承擔(dān)壓縮負(fù)荷，而較大體積的材料在結(jié)構(gòu)上并不重要?！?br />

壓縮測(cè)試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色應(yīng)力集中，而（右）雙晶格結(jié)構(gòu)更均勻地分散應(yīng)力以避免熱點(diǎn)，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

通過在管狀網(wǎng)格上疊加第二層網(wǎng)格，從而加固了管狀晶格，并在管和連接處增加了一個(gè)薄薄的X形橫截面，使壓縮測(cè)試中的載荷分布更加均勻。盡管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但利用激光粉末床熔融3D打印機(jī)可輕松制造。新結(jié)構(gòu)有效地將集中在晶格臭名昭著的弱點(diǎn)上的應(yīng)力減半。雙晶格設(shè)計(jì)還意味著任何裂紋都會(huì)沿著結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)韌性。

RMIT增材制造中心的Martin Leary教授、Ma Qian教授、Jordan Noronha和Milan Brandt教授，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

研究人員對(duì)制造出的鈦晶格立方體進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它比航空航天領(lǐng)域使用的密度類似的鑄造鎂合金WE54強(qiáng)50%。他們指出，這種結(jié)構(gòu)的尺寸可從毫米級(jí)擴(kuò)展到幾米，依打印機(jī)的可用性而定，并能承受高達(dá)350°C的耐熱溫度，如果升級(jí)到更耐熱的鈦合金，則最高可達(dá)600 °C。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種材料在對(duì)強(qiáng)度和重量要求較高的領(lǐng)域非常有用，潛在的商業(yè)應(yīng)用包括飛機(jī)和火箭部件。有趣的是，他們還表示其在醫(yī)用骨植入物領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，其中復(fù)雜的部分空心結(jié)構(gòu)可能最終促進(jìn)骨細(xì)胞的再生與融合。

通過邊緣的間隙可以看到橫截面鋼筋，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

由于制造這種新材料的技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用，其在行業(yè)中的采用可能需要一些時(shí)間。 “傳統(tǒng)的制造工藝對(duì)于制造這些復(fù)雜的金屬超材料并不實(shí)用，而且并不是每個(gè)人的倉(cāng)庫(kù)里都有激光粉末床熔合設(shè)備，”Ma Qian承認(rèn)，“但隨著技術(shù)進(jìn)步，使用這種技術(shù)變得更加便捷，打印過程也將加快，使更多人能夠利用我們的高強(qiáng)度多拓?fù)涑牧??！彼a(bǔ)充道，重要的是，金屬3D打印技術(shù)可輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的凈形狀制造。

皇家墨爾本理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在尋求與希望共同開發(fā)這些超材料并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的公司合作，并計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化晶格設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度和更輕的重量。

導(dǎo)讀：3D打印"超材料"擁有自然界或傳統(tǒng)制造業(yè)中罕見的強(qiáng)度與重量比，它可能徹底改變我們生產(chǎn)從醫(yī)療植入物到飛機(jī)、火箭部件等各種產(chǎn)品的方式。

博士生Jordan Noronha拿著以立方體形式3D打印的新型鈦晶格結(jié)構(gòu)樣品，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

2024年2月27日，據(jù)資源庫(kù)了解，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的研究人員利用常見的鈦合金創(chuàng)造了這種新型超材料。所謂“超材料”是指那些擁有自然界中未曾觀察到的獨(dú)特性質(zhì)的人造材料。

這種材料之所以與眾不同，關(guān)鍵在于其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相關(guān)論文最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。根據(jù)測(cè)試顯示，這種材料的強(qiáng)度比在航空航天領(lǐng)域使用的相似密度合金高出50%。

研究團(tuán)隊(duì)從空心睡蓮和風(fēng)琴管珊瑚中汲取靈感，以空心支柱網(wǎng)格作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)而探索如何降低連接點(diǎn)處應(yīng)力集中的方法。“理想情況下，所有復(fù)雜的細(xì)胞材料中的壓力都應(yīng)均勻分布，”該研究的主要作者、資深教授Ma Qian表示?！叭欢?，在大多數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，往往只有不到一半的材料主要承擔(dān)壓縮負(fù)荷，而較大體積的材料在結(jié)構(gòu)上并不重要?！?br />

壓縮測(cè)試顯示（左）空心支柱晶格上的紅色和黃色應(yīng)力集中，而（右）雙晶格結(jié)構(gòu)更均勻地分散應(yīng)力以避免熱點(diǎn)，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

通過在管狀網(wǎng)格上疊加第二層網(wǎng)格，從而加固了管狀晶格，并在管和連接處增加了一個(gè)薄薄的X形橫截面，使壓縮測(cè)試中的載荷分布更加均勻。盡管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但利用激光粉末床熔融3D打印機(jī)可輕松制造。新結(jié)構(gòu)有效地將集中在晶格臭名昭著的弱點(diǎn)上的應(yīng)力減半。雙晶格設(shè)計(jì)還意味著任何裂紋都會(huì)沿著結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)韌性。

RMIT增材制造中心的Martin Leary教授、Ma Qian教授、Jordan Noronha和Milan Brandt教授，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

研究人員對(duì)制造出的鈦晶格立方體進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它比航空航天領(lǐng)域使用的密度類似的鑄造鎂合金WE54強(qiáng)50%。他們指出，這種結(jié)構(gòu)的尺寸可從毫米級(jí)擴(kuò)展到幾米，依打印機(jī)的可用性而定，并能承受高達(dá)350°C的耐熱溫度，如果升級(jí)到更耐熱的鈦合金，則最高可達(dá)600 °C。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種材料在對(duì)強(qiáng)度和重量要求較高的領(lǐng)域非常有用，潛在的商業(yè)應(yīng)用包括飛機(jī)和火箭部件。有趣的是，他們還表示其在醫(yī)用骨植入物領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，其中復(fù)雜的部分空心結(jié)構(gòu)可能最終促進(jìn)骨細(xì)胞的再生與融合。

通過邊緣的間隙可以看到橫截面鋼筋，圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué)

由于制造這種新材料的技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用，其在行業(yè)中的采用可能需要一些時(shí)間。 “傳統(tǒng)的制造工藝對(duì)于制造這些復(fù)雜的金屬超材料并不實(shí)用，而且并不是每個(gè)人的倉(cāng)庫(kù)里都有激光粉末床熔合設(shè)備，”Ma Qian承認(rèn)，“但隨著技術(shù)進(jìn)步，使用這種技術(shù)變得更加便捷，打印過程也將加快，使更多人能夠利用我們的高強(qiáng)度多拓?fù)涑牧??！彼a(bǔ)充道，重要的是，金屬3D打印技術(shù)可輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的凈形狀制造。

皇家墨爾本理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在尋求與希望共同開發(fā)這些超材料并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的公司合作，并計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化晶格設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度和更輕的重量。