RMIT University Forschende haben eine 3D-gedruckte Titanstruktur mit hoher Festigkeit entwickelt

Ein von Forschenden der RMIT University entwickeltes 3D-gedrucktes “Metamaterial”, das ein in der Natur oder in der Fertigung nicht übliches Verhältnis von Festigkeit und Gewicht aufweist, könnte die Herstellung von medizinischen Implantaten bis hin zu Flugzeug- oder Raketenteilen verändern.

Die Inspiration für die Gitterstrukturen stammt ursprünglich aus der Natur, wie zum Beispiel die starken, hohlen Stängel der Victoria-Wasserlilie oder die robuste Orgelpfeifenkoralle (Tubipora musica) zeigen. Sie kombinieren Leichtigkeit mit Festigkeit.

Laut Ma Qian, Distinguished Professor an der RMIT, war die Nachbildung dieser “zellulären Strukturen” in Metallen aufgrund von Herstellbarkeitsproblemen und Belastungskonzentrationen innerhalb der hohlen Streben bisher jedoch eine Herausforderung, die oft zu vorzeitigen Ausfällen führte.

“Im Idealfall sollte die Spannung in allen komplexen zellulären Materialien gleichmäßig verteilt sein”, erklärte Qian. “Bei den meisten Topologien ist es jedoch üblich, dass weniger als die Hälfte des Materials hauptsächlich die Drucklast trägt, während das größere Volumen des Materials strukturell unbedeutend ist.”

Durch den Einsatz von 3D-Druck konnten diese Herausforderungen innovativ angegangen werden. Die Forschungsgruppe optimierte eine neue Art von Gitterstruktur, die den Stress gleichmäßiger verteilt und somit die Festigkeit bzw. strukturelle Effizienz erhöht.

“Wir haben eine hohle röhrenförmige Gitterstruktur entworfen, in der ein dünnes Band verläuft. Diese beiden Elemente zusammen zeigen eine Stärke und Leichtigkeit, die in der Natur noch nie zusammen gesehen wurde”, so Qian. “Indem wir zwei komplementäre Gitterstrukturen effektiv zusammenführen, um die Spannung gleichmäßig zu verteilen, vermeiden wir die Schwachstellen, an denen sich die Spannung normalerweise konzentriert.”

Das Design wurde im Advanced Manufacturing Precinct der RMIT mittels Laser-Pulverbettfusion, einem Verfahren, bei dem Metallpulverschichten durch einen hochleistungsfähigen Laserstrahl verschmolzen werden, 3D-gedruckt. Die Tests ergaben, dass das gedruckte Design – ein Titan-Gitterwürfel – 50% stärker als die stärkste Guss-Magnesiumlegierung WE54 war, die bisher in der Luft- und Raumfahrt für ähnlich dichte Anwendungen genutzt wurde.

Jordan Noronha, Hauptautor der Studie und Doktorand an der RMIT, betont: “Verglichen mit der stärksten verfügbaren gegossenen Magnesiumlegierung, die derzeit in kommerziellen Anwendungen verwendet wird, die eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht erfordern, hat sich gezeigt, dass unser Titan-Metamaterial mit einer vergleichbaren Dichte viel fester oder weniger anfällig für dauerhafte Formveränderungen unter Druckbelastung ist, ganz abgesehen davon, dass es einfacher herzustellen ist.”

Die Forschungsgruppe plant, das Material weiter zu verfeinern und Anwendungen in Umgebungen mit höheren Temperaturen zu erkunden. Obwohl es derzeit Temperaturen von bis zu 350 °C widerstehen kann, könnte es mit hitzebeständigeren Titanlegierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder bei Feuerwehrdrohnen bis zu 600 °C aushalten.

Die Anwendung in der Industrie könnte einige Zeit in Anspruch nehmen, da die Technologie zur Herstellung dieses neuen Materials noch nicht weit verbreitet ist.

Der technische Direktor des RMIT Advanced Manufacturing Precinct, Distinguished Professor Milan Brandt, sagte: “Unser Ansatz besteht darin, Herausforderungen zu erkennen und Möglichkeiten durch gemeinsames Design, Wissensaustausch, arbeitsgestütztes Lernen, kritische Problemlösungen und die Umsetzung von Forschung zu schaffen.”