RMIT 大学: 新しい 3D プリント格子メタマテリアルは、主要な航空宇宙用合金よりも 50% 強力です

RMIT 大学: 新しい 3D プリント格子メタマテリアルは、主要な航空宇宙用合金よりも 50% 強力です
2024年2月、アンタークティックベアは、ロイヤルメルボルン工科大学(RMIT)の研究者が、航空宇宙用途向けに開発された同様の密度の最強合金よりも50%強度の高いチタン構造を3Dプリントしたことを知りました。 この高強度構造は、独自の機械的特性と多機能性を持つように特別に設計された「メタマテリアル」です。 「並外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」と題されたチームの研究結果は、Advanced Materials誌に掲載された。



RMIT チームが開発した人工マルチトポロジカル メタマテリアルは、一般的なチタン合金 Ti-6Al-4V から作成されており、独自の中空柱格子 (HLS) 設計により、軽量で高い強度を実現しています。これまで、このような超高強度格子の製造は、製造上の制限中空支柱内部に集中する荷重応力によって妨げられてきました。現在、科学者たちは付加製造技術を利用してこれらの課題を克服することに成功しました。

パウダーベッドフュージョン (PBF) によって製造された、3D プリントによる新しい最適化された中空柱格子 (HLS) 構造は、負荷応力を均等に分散するように設計されており、強度と構造効率が向上します。 2 つの補完的な格子トポロジを 1 つの構造に組み合わせます。研究者の馬倩教授は次のように説明した。「私たちは、内部に薄いリボンを備えた中空の管状格子構造を設計しました。この 2 つの構造を組み合わせることで、軽量かつ高強度を実現しています。2 つの補完的な格子構造を効果的に融合して応力を均等に分散させることで、応力集中を回避しています。」

研究者たちは、この新素材が医療用インプラントや航空機やロケットの部品の製造など、さまざまな用途に価値をもたらす可能性があると考えている。


△研究員のジョーダン・ノロニャが、立方体の形に3Dプリントされた新しいチタン格子構造のサンプルを手に持っている

新しい3Dプリントされた超強力な格子構造

中空の支柱を備えたグリッド構造は、汎用性が高く、軽量で強度が高いと長い間考えられてきました。 しかし、研究者による広範な研究にもかかわらず、これまでの金属格子メタマテリアルは、同様の密度のマグネシウム合金よりも優れた機械的特性を達成できませんでした。このため、高い耐荷重性と耐熱性、耐腐食性が求められる幅広い産業用途が制限されます。

研究チームの PBF 3D プリント チタン格子キューブは、これらの制限を克服します。研究により、この新しいメタマテリアルは、航空宇宙用途で使用される同様の密度を持つ最も強力な合金である鋳造マグネシウム合金 WE54 よりも 50% 強力であることが判明しました。新しい構造により、格子の最も弱い部分に集中する応力が半減し、二重格子設計により構造の機械的強度がさらに向上しました。


△圧縮試験では、中空柱格子の赤と黄色は応力集中を表していることがわかります(左)。一方、二重格子構造は応力をより均等に分散します(右)。

この研究の主著者であり、RMITの博士課程の学生であるジョーダン・ノロニャ氏は、新しいメタマテリアル構造は、数ミリメートルから数メートルまで、さまざまなサイズで3Dプリントできると語った。さらに、デザインはさまざまな種類の 3D プリンターを使用して作成することもできます。 「高強度と軽量が求められる商業用途で現在使用されている最も強力な鋳造マグネシウム合金と比較すると、同等の密度を持つ当社のチタンメタマテリアルは、はるかに強度が高く、圧縮荷重下でも永久的な形状変化を受けにくいことが証明されており、製造もより実現可能であることは言うまでもありません」と同氏は述べた。

この 3D プリント可能な格子構造は、強度が高いだけでなく、生体適合性、耐腐食性、耐熱性も備えており、350°C までの温度に耐えることができます。骨インプラントや重要な航空宇宙部品など、さまざまな分野で使用できます。

今後、RMIT チームはメタマテリアルをさらに最適化して効率を高め、より高温の環境での応用を模索する予定です。研究者たちは、より耐熱性の高いチタン合金を使用することで、この材料は最高600℃の温度に耐えることができ、消防ドローンの製造に最適であると考えている。ノロニャ氏は、PBF 技術が使いやすくなり、3D プリントの速度が上がるにつれて、より多くの企業がこれらの高強度マルチトポロジカル メタマテリアルを自社のコンポーネントに組み込もうとするようになるだろうと付け加えた。


△RMITアディティブ・マニュファクチャリング・センターのマーティン・リアリー教授、馬千教授、ジョーダン・ノロニャ教授、ミラン・ブラント教授

3Dプリント金属格子の開発
RMIT の研究者たちは、耐久性の高い金属格子の製造における 3D プリントの役割を研究した最初の研究者ではありません。

2019年には、シェフィールド大学とインペリアル・カレッジ・ロンドン(ICL)の研究者らが、高い耐久性と耐損傷性を備えた3Dプリント結晶メタマテリアルを開発しました。 3D プリントされた「メタ結晶」は、結晶の超強力な内部構造を模倣した新しい格子構成を備えています。研究者らは、3Dプリントした金属合金の格子に多結晶微細構造を組み込んだ。この研究の最終的な目標は、強度があり損傷に強い材料を生み出すことです。 研究者たちは実験テストの結果、3Dプリントされた部品はエネルギー吸収力が高いことを発見した。 3D プリントされた部品は、単結晶構造を模倣した材料よりも 7 倍のエネルギーに耐えることができます。

2023 年 3 月、アーヘン工科大学のデジタル付加製造センター (DAP) は、格子構造用の新しい亜鉛マグネシウム合金の組み合わせを研究しています。 DAP チームはレーザービーム粉末床融合 (LB-PBF) を使用して格子を 3D プリントしており、これにより生体吸収性骨インプラントを製造できる可能性が生まれます。 3D プリント プロセスにより、適用部位での機械的ストレスや腐食挙動など、患者固有のニーズを満たすことができるインプラントの製造に新たな設計の可能性が開かれると報告されています。


RWTH DAP の新開発設計と合金コンセプトに基づいて積層造形された ZnMg 欠損インプラントを備えた PLA 製下顎模型

オリジナルリンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202308715

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