3D打印超强钛/铝合金超材料！马前教授团队提高晶格结构创新形式！

科技 2024-11-25 08:52 北京

机械金属超材料由互连的支柱、板、片或壳组成，其空腔或孔径范围为亚毫米到毫米级，通常以重复单元排列。它们是一类新兴的多功能材料，具有固体材料或传统多孔材料无法实现的多功能性。具有亚毫米至毫米通道直径的空心支柱晶格（HSL）金属超材料是机械超材料的新研究方向。粉末床激光熔融 (LPBF) 增材制造技术的出现让制造挑战逐渐消除，大大简化并能制造更为复杂的拓扑结构。

在此方面，墨尔本理工大学马前教授团队的研究备受关注，已发表的多篇研究涵盖多种材料（钛合金、铝合金及不锈钢）和多种晶格结构（实体晶格、空心支柱晶格、薄板空心支柱晶格拓扑结构、节点增强空心支柱晶格及不同取向等其他类型的结构）。尤其是于近两年发表的3D打印钛合金超材料与铝合金超材料的研究使人们对点阵/晶格材料的创新形式有了新的认识。

晶格/点阵结构创新

马前教授团队对晶格结构的重要研究方向是关于空心支柱晶格，这是一类新兴的晶格材料，与以往晶格结构不同之处在于其支柱和节点皆为空心，共同形成相互连接的通道网络。在相似的相对密度下，空心支柱金属晶格比实心支柱晶格具有更高的结构效率。

但虽如此，此类晶格的空心节点却存在严重的结构缺陷，这些缺陷源于复杂的空心节点区域应力集中。这些应力集中会导致局部椭圆化和裂纹，造成晶格结构过早失效。针对此问题，研究人员探索了多种结构加强方式。

节点加强形式

协同薄板拓扑两级相干架构

通常认为增加节点处的壁厚可以用作节点加固策略，但研究人员认为引入专门设计的亚毫米节点加固方法可能能够从根本上提高强度和刚度，但同时需要考虑避免粉末堵塞空心支柱。研究发现，引入节点加固可以有效减轻节点区域的应力分布，但这种策略仍然会导致负载未对齐的空心支柱中出现显著的接近零应力区域。另一种加强方式，是创建协同薄板+空心支柱晶格拓扑的两级相干架构，提供高机械强度的同时保持开孔结构。这种加强方式，又可衍生出多种具体的加强形势。

但总的来说，马前教授团队目前所开发的增强型空心支柱晶格的空心支柱晶格的相对屈服强度普遍位于经验模型上限之上，超过同类型的实体支柱晶格，且具有更低的材料密度。

3D打印钛合金超材料

于2023年12月31日发表的钛合金超材料获得了广泛关注，这种复杂的空心支柱晶格Ti6Al4V超材料，密度不超过1.8g/cm³，与镁合金相当，但屈服强度却远超镁合金。

LPBF工艺制造的Ti-6Al-4V试样

具体的说，研究人员将亚毫米厚的Ti-6Al-4V片层组成的简单立方单元嵌入到简单立方空心支柱晶格的中空空间中，可以轻松实现协同拓扑。因为支柱和板遵循一致的方向，无需晶胞操作。此外，这种拓扑结构旨在将所有负载未对齐的水平支柱牢固的互连到负载对齐的板，从而确保有效的应力分布，进而实现高结构效率。

研究团队3D打印的tc4空心支柱晶格

这一研究之所以备受关注，是因为所开发的钛多孔晶格拓扑超材料拓展了轻质多功能金属材料的边界。由于其密度低和高屈服强度，再加上Ti-6Al-4V固有的良好耐热性（高达350 °C）、显著的耐腐蚀性和生物相容性，它们可以用作高超音速飞行器等要求严格的热防护系统的核心结构。特别是，当用高温钛合金Ti-SF61打印时，它们可以进一步在高达600°C的温度下使用。这些重要的特性也使它们成为钛无人机的潜在选择材料。其他应用包括用作植入材料以及在国防和航空航天领域替代镁合金部件的轻质结构（更轻、更强、更耐热、更耐腐蚀）。

3D打印铝合金超材料

在获得以上成功的基础上，研究人员指出，所开发的钛合金超材料可能并非一直都是最佳的选择，因为钛合金粉末仍然很昂贵。该团队因此将目光锁定了另一种高性能材料——铝合金。

铝合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常见金属合金更具挑战性。首先，铝合金被观察到从高熔池温度到室温事存在大体积收缩；其次，高反射率和导热率需要更高的激光能量；此外，铝合金还具有低液相线温度（557°C），导致产生动态熔池。这些因素意味着AlSi10Mg很可能存在几何缺陷和粉末堵塞中空通道。

为了实现完整打印且不会残留粉末，研究人员确定了铝合金晶格结构的最小壁厚、最小内径、加强方式以及扫描策略。最终使用简单高效的双边界扫描策略，制造了具有高保真内部和外部轮廓以及可忽略不计的容留获粉末的复杂AlSi10Mg空心支柱晶格结构。该结构达到了仿真模型相对屈服强度的经验上限，与实体支柱晶格结构相当。而具有相当相对密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固体支柱晶格通常低于该上限。此外，空心支柱晶格在绝对密度低得多的情况下，绝对屈服强度、弹性模量均与实体支柱晶格相当，从而开发出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有轻质和高效结构的超材料。

研究团队3D打印的AlSi10Mg空心支柱晶格

这种铝合金超材料因其独特的性能和优势，对提高火箭、卫星和飞机等飞行器的整体性能和效率，提升汽车的性能和安全性，增强电子设备的散热性能，同时在高性能运动器材制造中也表现出应用潜力。

END

总的来说，马前教授团队所开展的空心支柱晶格超材料3D打印已成为独具特色的研究方向。凭借高强度、轻质化和多功能性等非常规特性，以及创新的制造技术、降低材料成本，拓展了应用深度，提升了产品结构效率，推动了工业设计和制造的发展。

注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

欢迎转发

主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址：www.amreference.com

最新文章

3D打印超强钛/铝合金超材料！马前教授团队提高晶格结构创新形式！

2024德国Formnext增材制造展精品展品（二）

国产3D打印自动化后处理解决方案在德国Formnext赢得系列订单

2024德国Formnext增材制造展精品展品（一）

三帝科技SLS铸造蜡型3D打印机成功交付意大利客户

SpaceX第一代“星舰”谢幕，3D打印为其测试发展贡献力量

3D打印牙模形变控制方法 —— 知名厂商分享独家经验！

增材制造产业发展论坛暨2024年增材制造产业年会12月11日广州举办

Formnext 2024：中体新材将与Apworks深化合作，共推Scalmalloy®材料创新应用

德国Formnext | 中航迈特材料装备融合创新，赋能全球增材产业发展

德国Formnext2024 | 中国3D打印展商强势出海

EOS推出新款SLS 3D打印机P3 NEXT，进一步提升聚合物增材制造水平

华曙SLS 3D打印设备实现钛合金部件量产

行业快讯：锐科激光与某央企签单120台3D打印激光器

国产方案：解决金属3D打印高端制造光环背后的自动化与安全挑战！

融速科技珠海航展彰显航空航天增材制造技术实力

AI赋能陶瓷增材制造，3DCERAM确保陶瓷大规模3D打印质量！

拓博增材携3D打印后处理解决方案亮相德国Formnext展

倍丰智能引领金属3D打印新生态，德国Formnext增材制造展看点

半导体制造中的3D打印：材料兼容性、成本效益与生产效率的综合评估

中体新材将参加2024德国Formnext展，重要看点一览

倍丰智能德国Formnext向国外展示先进金属3D打印解决方案

川崎重工安装电弧3D打印的螺旋桨叶片，强度提高40%

EOS推出两种新型3D打印超级合金！适合挑战性的工作环境！

汉邦激光将参加2024德国Formnext展，重要看点一览

2024航空宇航智能制造大会12月举办

先临三维重磅发布「多光源无线手持」3D扫描仪，实现效能飞跃！

铌钨等难熔金属大尺寸3D打印！国内一企业实现产业化应用

国内3D打印展会市场格局悄然变化！增材行业多起国内并购案例总结

智能仿生鸟蛋，Raise3D为动物保护研究组织提供3D打印技术方案

中航迈特金属3D打印装备、主干材料及典型零部件产品亮相珠海航展

一迈智能将参加2024德国Formnext展，重要看点一览

2.5米！24激光！铂力特重磅发布金属3D打印装备BLT-S825！

易加三维3D打印1.3米单件式铝合金火箭推进器，使用大型计算工程模型设计

十年蜕变，铂力特六赴中国航展，领航金属增材制造大·生产时代！

希禾增材将参加2024德国Formnext展，重要看点一览

DED 3D打印应用正在爆发！第二届国际定向能量沉积增材制造研讨会成功举办

第二届全国智能焊接职业技能竞赛增材制造设备操作员L/S（电弧增材方向）竞赛顺利结赛

空客APWORKS认证华曙高科FS422M可用于 Scalmalloy生产

最新增材nature：10⁴mm³/分钟！体积3D打印突破制造速度与精度上限

融速科技3D打印科研专用装备，助力DED科研效率升级

中体新材获空客授权生产Scalmalloy® 3D打印高强铝合金，成本大幅降低！

Raise3D&融创工场｜3D打印技术助力心智障碍群体融合就业

珠海航展：倍丰智能将展示其先进的金属3D打印解决方案！

拓竹科技欧洲CEO谈桌面3D打印的高速增长

观看直播 | 第二届国际定向能量沉积增材制造前沿技术及应用研讨会

氮化硅陶瓷光固化3D打印取得突破！大尺寸、高性能、高精度制造！

通过机器学习，ORNL将金属3D打印部件缺陷检测时间缩短85%

华曙高科突破3D打印批产精度极限！40μm小光斑打印精度0.05mm！

博世先进陶瓷3D打印实现批量制造，⼀次打印1400个医疗零部件，壁厚仅90μm

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉