Природа является величайшим наставником для инженеров. Люди вдохновлялись хирургическими иглами комаров, светодиодными лампами светлячков и даже вертолетной техникой колибри. В создании одних из самых прочных материалов для авиации инженеры прибегли к эволюционным образцам, воссоздавая решетчатые структуры в пустых стойках, найденных в античных кувшинках и выносливых органных кораллах.
Однако воплощение этих природных конструкций стало вызовом для инженеров, так как ограниченные производственные возможности ограничивают несущие способности этих решетчатых структур. Тем не менее, эпоха 3D-печати теперь предлагает уровень изящества, который, наконец, позволяет инженерам раскрыть секреты природы — легкие, но прочные.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, ученые из Королевского Мельбурнского технологического института (RMIT) в Мельбурне, Австралия, разработали 3D-напечатанный метаматериал, который на 50 процентов превосходит по прочности литой магниевый сплав WE54, широко используемый в авиационной промышленности (при этом плотность остается сопоставимой). Ученые преодолели распространенную проблему с этими полыми "ячеистыми структурами", которая заключается в концентрации напряжения на определенных участках стойки, приводящей к преждевременному разрушению. Вместо этого исследователи разработали мультитопологическую решетку, которая равномерно распределяет нагрузку, чтобы избежать "горячих точек" и предотвратить трещины вдоль структуры.
Профессор RMIT и соавтор исследования Ма Цянь, объяснил:
Для большинства топологий менее половины материала преимущественно несет сжимающую нагрузку, в то время как больший объем материала не играет существенной роли. Мы создали полую трубчатую решетчатую структуру, внутри которой проходит тонкая полоса. Эти два элемента вместе демонстрируют силу и легкость, никогда ранее не сочетавшиеся в природе… эффективно объединяя две взаимодополняющие решетчатые структуры для равномерного распределения напряжения, мы избегаем слабых мест, где обычно концентрируется напряжение.
Создание такой сверхпрочной многотопологической решетки стало возможным благодаря лазерной печати порошковых слоев (L-PBF), используемой в принтере RMIT, которая намного более сложна, чем стандартные 3D-принтеры. В этой машине используется металлический порошок, который расплавляется с помощью мощных лазерных лучей. Как показало отдельное исследование RMIT, проведенное в 2023 году, этот принтер "практически не ограничивает геометрию деталей… обеспечивает возможности настройки для создания сложных деталей".
Эта высокая степень свободы производства позволила исследователям не только создавать сверхпрочные решетчатые структуры, но и производить их различных размеров — от нескольких метров до нескольких миллиметров, расширяя их потенциальное применение в различных отраслях. Материал также устойчив к коррозии и выдерживает температуры до 350 градусов Цельсия (хотя исследователи уверены, что он может выдерживать и более высокие температуры, до 600 градусов Цельсия).
Хотя открытие этого чрезвычайно прочного метаматериала является первым шагом, производство таких сложных объектов в промышленных масштабах представляет собой совершенно иную задачу. Это происходит в первую очередь потому, что, как признают сами исследователи, "не каждый имеет на складе машину для лазерной термоядерной синтеза".
Однако, как только это станет возможным, чудеса природы снова станут доступными для нас.
