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RMIT大学揭示了金属3D打印装置的多拓扑晶格设计，以推动轻量化工业应用的新时代。

科学不断追求复制自然。像珊瑚和一些植物这样的轻质但极其坚固的结构往往无法用现代制造来复制它们。

3D打印金属的逐层工艺为更接近地模仿自然界中生长的晶格状结构打开了大门。以澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发的新型钛结构为例，该结构结合了创新的几何形状和材料，其强度比航空航天应用中使用的类似密度的最强合金强50%。

该大学表示，这一突破“可能会改变我们制造从医疗植入物到飞机或火箭部件等各种物品的方式。”

压缩测试显示（左）空心支柱晶格上的红色和黄色应力集中，而（右）双晶格结构更均匀地分散应力以避免热点（来源：RMIT）

新的钛结构被称为超材料，这意味着它是一种具有自然界中未观察到的独特性能的人造材料。这个术语有点误导，因为它指的不仅仅是实际的“材料”，即常见的钛合金（Ti-6Al-4V）。它是材料和几何形状的组合。

事实上，它的形状让研究人员感到兴奋。晶格结构广泛用于金属3D打印，但轻质晶格的顶峰是晶格支柱本身是空心管，使用的材料甚至更少。

据皇家墨尔本理工大学介绍，该大学的杰出教授马前花了几十年的时间试图在金属中复制这些空心蜂窝结构，但由于可制造性和负载应力集中在空心支柱内部区域等常见问题而感到沮丧，从而导致过早失效。

“理想情况下，所有复杂细胞材料中的压力应该均匀分布，”钱在皇家墨尔本理工大学博客上解释道。“然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料主要承受压缩载荷，而较大体积的材料在结构上无关紧要。”

左起：皇家墨尔本理工大学增材制造中心的Martin Leary教授、马前教授、Jordan Noronha和Milan Brandt教授（来源：RMIT）

但新的RMIT钛结构却并非如此，它可以更均匀地分布应力，从而提高其强度和结构效率。

“我们设计了一种空心管状晶格结构，内部有一条细带。这两种元素一起展现了自然界中从未见过的力量和轻盈。”钱说。“通过有效地合并两个互补的晶格结构来均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的弱点。”

研究人员表示，双晶格设计还意味着任何裂纹都会沿着结构偏转，从而进一步增强韧性。

研究主要作者、皇家墨尔本理工大学博士生乔丹·诺罗尼亚(Jordan Noronha)表示，他们可以使用不同类型的打印机制造出几毫米或几米大小的结构。

这种可印刷性以及强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性使其成为从骨植入物到飞机或火箭部件等医疗设备的许多应用的有前途的候选者。

这种结构只能通过3D打印实现。研究人员使用Nikon SLM Solutions 250HL激光粉末床熔融3D打印机。

“与目前在需要高强度和轻量化的商业应用中使用的最强的可用铸造镁合金相比，我们具有相当密度的钛超材料被证明更加坚固或不易在压缩载荷下发生永久形状变化，更不用说更可行了制造，”诺罗尼亚说。

该团队计划进一步改进该材料以实现最大效率，并探索在更高温度环境中的应用。

虽然目前可耐受高达350°C的温度，但他们相信使用更耐热的钛合金可以使其耐受高达600°C的温度，用于航空航天或消防无人机中的应用。

“随着技术的发展，它将变得更容易使用，打印过程将变得更快，使更多的受众能够在他们的组件中实现我们的高强度多拓扑超材料，”Noronha说。“重要的是，金属3D打印可以轻松实现实际应用的净形状制造。”

访问发表在《先进材料》杂志上的完整研究。