Een nieuwe 3D-geprinte roosterstructuur heeft onderzoekers verrast met zijn sterkte en lichtheid. Het maakt gebruik van twee verschillende roosterstructuren die zijn samengevoegd, waardoor de zwakke punten die doorgaans in deze complexe vormen voorkomen worden geëlimineerd. Onderzoekers van de RMIT Universiteit in Melbourne, Australië, lieten zich inspireren door waterlelies met holle stengels en orgelpijpkoralen om te bestuderen hoe de hoge spanningsconcentraties die door gewrichten worden veroorzaakt, kunnen worden verminderd.
"In het ideale geval zou de stress gelijkmatig verdeeld moeten zijn over alle complexe honingraatmaterialen", zegt hoogleraar Ma Qian, eerste auteur van de nieuwe studie. "Voor de meeste topologieën wordt echter doorgaans minder dan de helft van het materiaal voornamelijk onderworpen aan drukbelastingen, en het grotere materiaalvolume is niet structureel belangrijk."
De onderzoekers versterkten het buisvormige rooster door het te bedekken met een tweede rooster erbovenop, en voegden een dunne X-vormige dwarsdoorsnede toe tussen de buizen en verbindingen om de belasting gelijkmatiger te verdelen tijdens compressietests.
De vorm is zeer complex, maar eenvoudig te vervaardigen met behulp van een laserpoederbedfusie 3D-printer. De onderzoekers testten de resulterende kubus en ontdekten dat deze 50 procent sterker was dan WE54, een gegoten magnesiumlegering met een vergelijkbare dichtheid die in de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt gebruikt.
Afhankelijk van de printer, die in grootte kan variëren van millimeters tot enkele meters, zeggen ze dat deze bestand is tegen temperaturen tot 350 °C, of tot 600 °C als hij wordt geüpgraded naar een hittebestendigere titaniumlegering.
De onderzoekers zeggen dat het materiaal nuttig zou kunnen zijn in gebieden waar sterkte en gewicht belangrijk zijn, met mogelijke commerciële toepassingen, waaronder vliegtuig- en raketonderdelen. Interessant genoeg zeggen ze ook dat het materiaal ook zou kunnen worden gebruikt in medische botimplantaten, en dat wanneer het samensmelt met het lichaam, de complexe, gedeeltelijk holle vorm uiteindelijk zou kunnen worden opgevuld door het teruggroeien van botcellen.
Maar zijn zulke complexe structuren gemakkelijk te fabriceren? De onderzoekers geven toe: "Niet iedereen heeft een laserpoederbedfusiemachine in zijn magazijn. Naarmate de technologie zich ontwikkelt, zal deze echter toegankelijker worden en zal het printproces sneller worden, waardoor meer mensen onze zeer sterke multi-topologische metamaterialen in hun componenten kunnen gebruiken. Belangrijk is dat 3D-printtechnologie met metaal gemakkelijk maasvormen kan creëren voor praktische toepassingen."
Het RMIT-team doet een beroep op bedrijven die willen samenwerken en deze metamaterialen voor een reeks toepassingen op de markt willen brengen, en zegt dat het het roosterontwerp zal blijven verfijnen in de zoektocht naar meer sterkte en een lager gewicht.
Het artikel werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.