Sblocca metamateriale a base di titanio Oltre la natura.

Un rivoluzionario metamateriale di titanio con forza e versatilità senza pari potrebbe rivoluzionare l'aviazione di produzione e ad alta velocità.

È stato progettato un materiale di titanio leggero e ad alta resistenza che potrebbe portare a dispositivi medici più forti e progetti innovativi per veicoli e spaziali. Il team di ricerca ha usato una lega di titanio comune, ti -6 al -4 V, per costruire il "metamateriale", un termine usato per descrivere un materiale artificiale che possiede proprietà uniche non osservate nella natura - meta significa " oltre "in greco.

Molte strutture così intricate e sorprendentemente forti esistono in natura, come quella del Lily di Victoria Water. Originaria del Sud America, questa gigantesca foglia galleggiante è abbastanza forte da sostenere un adulto a causa della struttura reticolare unica delle vene.

Le strutture dei materiali artificiali possono essere progettate per imitare queste piante e altri materiali porosi naturali come il corallo, con reticoli diversi che vanno dai cubi semplici a dodecaedri complessi. I pori di queste strutture reticolari si interconnettono, che formano canali. Conosciuti come materiali "cellulari", questi materiali reticolari spesso sono dotati di un compromesso di forza se non progettati correttamente, secondo i ricercatori RMIT.

"Tuttavia, Metal 3D Printing è un punto di svolta, che consente ai ricercatori di progettare e fabbricare luce altamente innovativa e forti metalli cellulari", ha affermato Jordan Noronha, dottorato di ricerca. candidato che ha lavorato al progetto presso RMIT.

Nei materiali cellulari, i reticoli sono collegati in tre dimensioni da aste o travi sottili e solide chiamate montanti. Usando invece patatine cave, i ricercatori miravano a creare un materiale cellulare a bassa densità altrettanto forte di una solida lega metallica con una densità simile alle leghe di magnesio ad alta resistenza.

Stampa il metamateriale

Il team di ricerca guidato da Ma Qian, professore presso il Center for Additive Manufacturing di RMIT, ha utilizzato un processo di stampa 3D chiamato "Laser Powder Bed Fusion" per fabbricare i metamateriali del titanio. Questa tecnica, che costruisce uno strato di materiale per strato usando un raggio laser ad alta potenza, è comunemente usata per preparare parti di produzione complesse da meno di un millimetro fino a quasi due metri di dimensioni.

Qian ha spiegato l'approccio della sua squadra. "Innanzitutto, l'intero campione metamateriale reticolare è progettato come modello digitale. Quindi, questo modello viene tagliato digitalmente in molti strati sottili utilizzando uno strumento software."

"Questo processo di fabbricazione a base di strati prevede la fusione laser delle polveri metalliche, la rapida solidificazione del metallo liquido (le polveri di metallo fuso) e i ripetuti processi di riscaldamento e raffreddamento del metallo solidificato", ha elaborato.

Qian afferma che l'intero processo impiega attualmente circa 18 ore, ma attraverso l'ottimizzazione, lui e il suo team hanno in programma di abbreviare il periodo di tempo in futuro.

Cosa rende il materiale così forte?

Strut cavi e piastre sottili sono le due topologie responsabili dell'alta resistenza del metamateriale. A differenza della maggior parte dei materiali cellulari, che contengono punti deboli in cui si concentrano lo stress, questi due reticoli complementari distribuiscono uniformemente lo stress fornendo supporto.

"Idealmente, lo stress in tutti i materiali cellulari dovrebbe essere distribuito uniformemente", ha spiegato Qian. "Tuttavia, per la maggior parte delle topologie, è comune per meno della metà del materiale sopportare principalmente il carico di compressione, mentre il volume maggiore di materiale è strutturalmente insignificante."

"Questo design multi-topologia promuove anche la deflessione dei percorsi di crack per migliorare la tenacità", ha aggiunto. "Invece delle fessure che si verificano direttamente attraverso il reticolo, che si verificano nella maggior parte dei materiali cellulari, nella nostra topologia reticolare a tracolla a basso livello, i montanti e le piastre lavorano insieme per deviare le fessure lungo un percorso più lungo."

Le leghe di magnesio sono attualmente utilizzate in applicazioni commerciali che richiedono alta resistenza e leggero. Rispetto alla più forte lega di magnesio a cast disponibile (WE54), un campione del metamateriale del titanio con una densità comparabile è molto più forte. Le leghe di magnesio non sono inoltre suscettibili alla fusione del letto in polvere laser o alla stampa 3D a causa della vaporizzazione della polvere, dando alla lega di titanio un vantaggio di produzione.

Passaggi successivi e potenziali applicazioni

Prima che il materiale venga commercializzato, Qian e il suo team vogliono prima garantire che il materiale funzioni alla sua massima efficienza.

Per fare ciò, hanno in programma di migliorare il loro design attuale per rafforzare e alleggerire ancora di più i loro metamateriali di titanio. Ad esempio, in base a simulazioni numeriche, regoleranno la proporzione di piastre sottili su puntoni cavi per consentire una distribuzione di sollecitazione più uniforme nell'intera struttura.

Secondo i ricercatori, se il metamateriale viene fabbricato da una lega di titanio ad alta temperatura, può essere utilizzato a temperature fino a 600 gradi. Questa caratteristica, insieme alla sua resistenza alla corrosione, rende il materiale adatto per l'uso in velivoli volanti ad alta velocità o missili, che devono essere in grado di resistere all'intenso calore generato dalle loro alte velocità. I droni in titanio utilizzati per monitorare o combattere da vicino gli incendi trarrebbero anche beneficio dal peso leggero, dalla resistenza e dalla resistenza al calore del metamateriale.

Poiché il metamateriale è anche biocompatibile, potrebbe anche essere utilizzato in dispositivi medici come gli impianti ossei. Tuttavia, la tecnologia non è ancora ampiamente disponibile in questa fase, quindi la sua adozione da parte dell'industria potrebbe richiedere del tempo. "La nostra limitazione più importante è l'esclusività della nostra tecnologia e il costo della fabbricazione potrebbe essere un'altra preoccupazione importante", ha affermato Qian.

"I processi di produzione tradizionali non sono pratici per la fabbricazione di questi intricati metamateriali di metallo e non tutti hanno una macchina per fusione del letto a polvere laser nel loro magazzino", ha aggiunto. "Tuttavia, man mano che la tecnologia si sviluppa, diventerà più accessibile, consentendo a un pubblico più vasto di implementare i nostri metamateriali multi-topologia ad alta resistenza nei loro componenti."