3D 打印钛“超材料”设计解决了长期存在的工程问题

由金属合金制成的细胞结构可以增强从骨植入物到火箭部件等所有物体的强度——前提是它们不会在压力下不断开裂。迄今为止，研究人员花了数年时间试图解决这些人造“超材料”中重量分布不均的问题，但收效甚微。然而，正如《先进材料》杂志最近发表的一项研究所详述的那样，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的一支研究小组在从植物和珊瑚中汲取灵感，并借助尖端的 3D 打印工具，似乎终于找到了解决方案。

工程师们使用一种常见的钛合金制造出由空心支柱组成的网格状结构，每个支柱上都布满了一条额外的细带。据 RMIT 先进制造杰出教授、研究合著者马倩介绍，该团队结合了“两种互补的网格结构来均匀分布应力，避免了应力通常集中的薄弱点。”

钱学森在周一发表的大学简介中继续说道：“这两种元素结合在一起，显示出自然界中从未见过的力量和轻盈。”

为了构建晶格超材料，研究人员采用了一种非常先进的制造工艺，即激光粉末床熔合，其中强大的激光束将分层的钛颗粒直接熔化到位。随后对由新的空心晶格制成的立方体进行应力测试，其承受的重量比同样致密的 WE54 铸件高出 50%，WE54 是一种常用于航空航天工程的镁合金。

尽管这种弹性超材料已经可以承受高达 350 摄氏度（662 华氏度）的高温，但其制造者认为，使用更耐热的钛合金可以将该阈值提高到 600 摄氏度（1,112 华氏度）。如果是这样，这种金属制品可以在火箭制造甚至消防无人机中得到更多用途。

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同时，研究小组认为这些晶格结构在人体骨植入物中也有用，因为当设备与患者身体融合时，它们的空心结构可以促进骨细胞的再生。

尽管如此，钛超材料可能还需要一段时间才能普及。正如这项研究的主要作者、博士生乔丹·诺罗尼亚在 RMIT 的专题文章中解释的那样，“并不是每个人的仓库里都有激光粉末床熔合机。”

不过，诺罗尼亚、钱和他们的同事相信，技术进步和设备可及性的提高最终将使其他人更容易利用他们的超材料设计。