「先端材料」メルボルン工科大学 3Dプリントされたチタンベースのメタマテリアル

出典：江蘇省レーザー産業技術革新戦略同盟

オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学の研究チームは、航空宇宙や医療機器の製造に使用できる可能性のある超強力なチタンベースのメタマテリアルの3Dプリントについて報告しました。この研究は、製造と高速航空に革命的な変化をもたらし、より強力な医療機器や革新的な航空機や宇宙船の設計を促進する可能性があります。この研究は、「優れた強度を持つチタン製マルチトポロジーメタマテリアル」というタイトルで『Advanced Materials』誌に掲載されました。

高強度で多機能性を備えた画期的な軽量チタンベースのメタマテリアルが設計されました。研究チームは、一般的なチタン合金であるTi-6Al-4Vを使用して、チタンのマルチトポロジカル「メタマテリアル」を作成しました。
付加的に製造されたメタマテリアルは、構造革新を通じて並外れた機械的特性と多機能特性を実現する構造化細胞材料です。中でも、中空柱格子（HSL）メタマテリアルは優れた構造効率を持つことが実証されており、その多機能構造は軽量、生体医学、マイクロ流体、熱工学に最適です。
構造効率を最大限に活かし、機械的なエンベロープを大幅に拡張するために、薄板格子トポロジーは HSL トポロジーの内部中空空間にシームレスに統合されます。この統合は、不規則な HSL ノードの変形抵抗を根本的に強化し、新しいトポロジーで外部応力を均等に分散して超高強度を実現するという 2 つの目的を果たします。
この薄板一体型中空支柱格子（TP-HSL）メタマテリアルは、密度が1.0～1.8 g cm-3のチタン合金Ti-6Al-4Vで作られており、その相対降伏強度は、さまざまな金属合金で作られたHSLや固体支柱格子（SSL）メタマテリアルを含むすべてのセルラー金属の実験的上限をはるかに超えています。さらに、Ti-6Al-4V の高い耐腐食性、生体適合性、耐熱性などの独自の特性を維持しながら、絶対的な降伏強度は同等の密度のマグネシウム合金を大幅に上回ります。チタンマルチトポロジカルメタマテリアルは、軽量で多機能な金属材料の領域を拡大します。

図 1: コンピュータ支援設計 (CAD) モデルと実際に印刷されたチタン合金メタマテリアルサンプル。

メタマテリアルの印刷 研究チームはまず、格子メタマテリアルのサンプル全体をデジタルモデルに設計しました。次に、このモデルはソフトウェアツールを使用して、多数の薄い層にデジタル的にスライスされます。この層ベースの製造プロセスでは、金属粉末のレーザー溶融、液体金属（溶融金属粉末）の急速凝固、および凝固した金属の繰り返しの加熱と冷却が行われます。現在、全体のプロセスには約 18 時間かかりますが、研究チームは最適化を通じて将来的に時間を短縮する予定です。
図2: 密度(ρ*)が1.0 g cm-3、1.5 g cm-3、1.8 g cm-3のTi-6Al-4V HSLノード(a、c、e)とTP-HSLノード(b、d、f)の等方性線形弾性有限要素解析。 Kt は応力集中係数、A は圧縮時の断面積、F は加えられる圧縮力です。この素材がなぜそんなに強いのでしょうか?
中空の柱と薄い板は、メタマテリアルに高い強度を与える 2 つのトポロジカル構造です。応力が集中する弱い部分があるほとんどのハニカム素材とは異なり、これら 2 つの補完的な格子はサポートを提供しながら応力を均等に分散します。理想的には、応力はハニカム材料全体に均等に分散される必要があります。ただし、ほとんどのトポロジでは、通常、材料の半分未満が主に圧縮荷重を受け、材料のより大きな体積は構造的に重要ではありません。

このマルチトポロジー設計により、亀裂経路の偏向も促進され、靭性が向上します。研究対象となった薄板中空支柱格子トポロジーでは、支柱と板が連携して、ほとんどのハニカム材料のように格子を直接通過するのではなく、より長い経路に沿って亀裂を逸らします。
マグネシウム合金は現在、高強度と軽量性が求められる商業用途に使用されています。最も強度の高い既存の鋳造マグネシウム合金 (WE54) と比較すると、同等の密度を持つチタンベースのメタマテリアルサンプルははるかに強度が高いです。また、マグネシウム合金は粉末の蒸発によりレーザー粉末床溶融結合や3Dプリントには適さないため、製造においてはチタン合金が有利です。

図3: 密度(a)1.8 g cm-3、(b)1.5 g cm-3、(c)1.0 g cm-3のLPBFから作製したTi-6Al-4V TP-HSL試験片の外部写真（光学画像）と内部μCT画像。 CAD モデルと製造された試験片の間には高い一致度が見られます。
図 4: Ti-6Al-4V HSL および TP-HSL 試験片の一軸圧縮に対する機械的応答。
図 5: 相対降伏強度 (a) と相対弾性率 (b) と相対密度の関係を示すギブソン・アシュビーモデルの対数プロット。
次のステップと潜在的な応用<br /> この材料を商品化する前に、研究チームはまず、この材料が最大限の性能を発揮できることを確認する必要があります。この目的のために、彼らは現在の設計を改良し、チタンベースのメタマテリアルをさらに強化し、軽量化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、薄板と中空支柱の比率を調整し、構造全体の応力分布をより均一にします。

研究者らによると、メタマテリアルが高温チタン合金で作られていれば、最高600℃の温度で使用できる可能性があるという。この特性と耐腐食性により、この材料は高速飛行によって発生する高熱に耐えることができるため、高速航空機やミサイルに適しています。山火事を注意深く監視したり消火したりするために使用されるチタン製ドローンも、メタマテリアルの軽さ、強度、耐熱性の恩恵を受けるだろう。メタマテリアルは生体適合性もあるため、骨インプラントなどの医療機器にも使用できます。

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