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

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

2024年2月27日，據(jù)資源庫了解，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（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特性質的人造材料。

這種材料之所以與眾不同，關鍵在于其獨特的晶格結構設計，相關論文最近發(fā)表在《先進材料》雜志上。根據(jù)測試顯示，這種材料的強度比在航空航天領域使用的相似密度合金高出50%。

研究團隊從空心睡蓮和風琴管珊瑚中汲取靈感，以空心支柱網(wǎng)格作為設計基礎，進而探索如何降低連接點處應力集中的方法?！袄硐肭闆r下，所有復雜的細胞材料中的壓力都應均勻分布，”該研究的主要作者、資深教授Ma Qian表示?！叭欢?，在大多數(shù)拓撲結構中，往往只有不到一半的材料主要承擔壓縮負荷，而較大體積的材料在結構上并不重要。”

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

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薄薄的X形橫截面，使壓縮測試中的載荷分布更加均勻。盡管結構復雜，但利用激光粉末床熔融3D打印機可輕松制造。新結構有效地將集中在晶格臭名昭著的弱點上的應力減半。雙晶格設計還意味著任何裂紋都會沿著結構偏轉，進一步增強韌性。

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

研究人員對制造出的鈦晶格立方體進行了測試，發(fā)現(xiàn)它比航空航天領域使用的密度類似的鑄造鎂合金WE54強50%。他們指出，這種結構的尺寸可從毫米級擴展到幾米，依打印機的可用性而定，并能承受高達350°C的耐熱溫度，如果升級到更耐熱的鈦合金，則最高可達600 °C。

研究團隊認為，這種材料在對強度和重量要求較高的領域非常有用，潛在的商業(yè)應用包括飛機和火箭部件。有趣的是，他們還表示其在醫(yī)用骨植入物領域的應用潛力，其中復雜的部分空心結構可能最終促進骨細胞的再生與融合。

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

由于制造這種新材料的技術尚未廣泛應用，其在行業(yè)中的采用可能需要一些時間。 “傳統(tǒng)的制造工藝對于制造這些復雜的金屬超材料并不實用，而且并不是每個人的倉庫里都有激光粉末床熔合設備，”Ma Qian承認，“但隨著技術進步，使用這種技術變得更加便捷，打印過程也將加快，使更多人能夠利用我們的高強度多拓撲超材料。”他補充道，重要的是，金屬3D打印技術可輕松實現(xiàn)實際應用中的凈形狀制造。

皇家墨爾本理工大學的研究團隊正在尋求與希望共同開發(fā)這些超材料并實現(xiàn)商業(yè)化的公司合作，并計劃繼續(xù)優(yōu)化晶格設計，以實現(xiàn)更高的強度和更輕的重量。

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

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

2024年2月27日，據(jù)資源庫了解，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（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特性質的人造材料。

這種材料之所以與眾不同，關鍵在于其獨特的晶格結構設計，相關論文最近發(fā)表在《先進材料》雜志上。根據(jù)測試顯示，這種材料的強度比在航空航天領域使用的相似密度合金高出50%。

研究團隊從空心睡蓮和風琴管珊瑚中汲取靈感，以空心支柱網(wǎng)格作為設計基礎，進而探索如何降低連接點處應力集中的方法?！袄硐肭闆r下，所有復雜的細胞材料中的壓力都應均勻分布，”該研究的主要作者、資深教授Ma Qian表示?！叭欢?，在大多數(shù)拓撲結構中，往往只有不到一半的材料主要承擔壓縮負荷，而較大體積的材料在結構上并不重要。”

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

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薄薄的X形橫截面，使壓縮測試中的載荷分布更加均勻。盡管結構復雜，但利用激光粉末床熔融3D打印機可輕松制造。新結構有效地將集中在晶格臭名昭著的弱點上的應力減半。雙晶格設計還意味著任何裂紋都會沿著結構偏轉，進一步增強韌性。

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

研究人員對制造出的鈦晶格立方體進行了測試，發(fā)現(xiàn)它比航空航天領域使用的密度類似的鑄造鎂合金WE54強50%。他們指出，這種結構的尺寸可從毫米級擴展到幾米，依打印機的可用性而定，并能承受高達350°C的耐熱溫度，如果升級到更耐熱的鈦合金，則最高可達600 °C。

研究團隊認為，這種材料在對強度和重量要求較高的領域非常有用，潛在的商業(yè)應用包括飛機和火箭部件。有趣的是，他們還表示其在醫(yī)用骨植入物領域的應用潛力，其中復雜的部分空心結構可能最終促進骨細胞的再生與融合。

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

由于制造這種新材料的技術尚未廣泛應用，其在行業(yè)中的采用可能需要一些時間。 “傳統(tǒng)的制造工藝對于制造這些復雜的金屬超材料并不實用，而且并不是每個人的倉庫里都有激光粉末床熔合設備，”Ma Qian承認，“但隨著技術進步，使用這種技術變得更加便捷，打印過程也將加快，使更多人能夠利用我們的高強度多拓撲超材料。”他補充道，重要的是，金屬3D打印技術可輕松實現(xiàn)實際應用中的凈形狀制造。

皇家墨爾本理工大學的研究團隊正在尋求與希望共同開發(fā)這些超材料并實現(xiàn)商業(yè)化的公司合作，并計劃繼續(xù)優(yōu)化晶格設計，以實現(xiàn)更高的強度和更輕的重量。