Инженеры напечатали 3D-структуру прочнее «аэрокосмического» сплава

Метаматериалы — это искусственные материалы, то есть созданные в лаборатории, в том числе и напечатанные на 3D-принтере. Они могут состоять как из одного, так и нескольких обычных материалов. Их главное отличие от обычных — запланированное создателями наличие свойств, не встречающихся у последних.

За последние 20 лет инженеры создали большое количество разнообразных метаматериалов с металлическими включениями в виде решетки — из титановых, алюминиевых сплавов, сплавов на основе никеля, нержавеющей стали. И хотя они оказались лучше большинства конструкционных материалов, лишь немногие из них были эффективнее тех же сплавов магния, которые сегодня широко используются в авиационной и ракетной технике из-за малой плотности, высокой удельной прочности, виброизоляционных свойств. 

Поэтому ученые уже давно пытаются создать «сырье», которое смогло бы работать в сложных условиях: быть сверхпрочным, выдерживать экстремальные температуры и давления. 

Австралийские исследователи из Мельбурнского королевского технологического университета создали новый метаматериал из титанового сплава Ti-6Al-4V (в сплаве сам титан, шесть процентов алюминия и четыре процента ванадия), который оказался на 50 процентов прочнее самого прочного коммерческого магниевого сплава WE54 аналогичной плотности (1,85 грамма на кубический сантиметр). Ti-6Al-4V — один из наиболее часто используемых титановых сплавов, который применяется там, где необходимы малая плотность и высокая коррозионная стойкость, — в аэрокосмической отрасли. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.

Источником вдохновения для ученых стала природа. Они изучили растения с крепкими стеблями, обладающие полой трубчатой структурой, сочетающей в себе прочность и легкость, такие как кувшинки (Victoria boliviana), а также кораллы (Tubipora musica). Затем исследователи постарались воспроизвести эту структуру на практике. Для этого они использовали 3D-печать.

«Многие ученые десятилетиями пытались воссоздать в металле эти природные полые „ячеистые структуры“, но постоянно терпели неудачу. Одна из главных причин, почему это не получалось, — возникающее напряжение в точках соединения внутренних участков полых стоек, что приводило к разрушению конструкций. В идеале напряжение должно равномерно распределяться по всему материалу», — пояснил Ма Цянь (Ma Qian), руководитель исследования. 

Образец нового метаматериала / © RMIT

Чтобы уменьшить высокий уровень напряжения, возникающего в точках соединения «лабораторной» трубчатой решетки, Цянь и его коллеги усилили ее — наложили сверху вторую решетку, добавив тонкий крестообразный разрез, проходящий через трубы и соединения. Это позволило равномерно распределить нагрузку при сжатии.

Для изготовления такой конструкции специалисты использовали метод 3D-печати, называемый лазерное плавление металла в заранее сформированном слое (Laser Beam Powder Bed Fusion). Это одна из наиболее обкатанных технологий печати металлических изделий, в которой применяется мощный лазерный луч для плавления металлопорошковых композиций.

Компьютерная модель титанового куба с одной и двумя решетками. Слева показана модель с одной решеткой, красными точками обозначены участки, где нагрузка слишком сильная. Справа изображена модель с двумя решетками. В таком случае нагрузка по конструкции распределяется равномерно / © RMIT

Ученые испытали свой метаматериал в лаборатории при различных сложных условиях. Выяснилось, что напечатанная конструкция — титановый куб — на 50 процентов прочнее магниево-литиевого сплава WE54, который считается самым прочным коммерческим сплавом, используемым в авиационной и космической промышленности. 

Образцы метаматериала легко меняются в размерах от нескольких миллиметров до нескольких метров в зависимости от доступных принтеров и выдерживают (при таком составе) нагрев до 350 градусов по Цельсию либо до 600 градусов, если использовать более жаропрочные титановые сплавы.

По словам авторов исследования, в ближайшем будущем их материал будет пригоден для изготовления частей авиационной и ракетной техники, беспилотных пожарных систем, а также  для создания костных имплантатов в медицине, где сложная, частично пустая форма может со временем заполняться отросшими клетками костной ткани.