Чудодейственный титановый материал может сделать автомобили гораздо прочнее

Используя современные 3D-принтеры по металлу, ученые теперь могут создавать решетчатые конструкции, вдохновленные природой, которые распределяют нагрузку на внутренние стойки. Исследователи создали решетчатый куб из нового метаматериала — он на 50 процентов прочнее, чем аэрокосмические сплавы аналогичной плотности.

Чудодейственный титановый материал может сделать автомобили гораздо прочнее

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.

Чудодейственный титановый материал может сделать автомобили гораздо прочнее
Концентрации напряжения (слева) показаны красным и желтым цветом. Двойная решетка (справа) распределяет напряжение по всей поверхности.

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.

Читайте также

В Китае научились восстанавливать сознание пациентов с помощью ультразвука

В Китае научились восстанавливать сознание пациентов с помощью ультразвука

В Москве впервые пересадили спинной мозг от человека к человеку

В Москве впервые пересадили спинной мозг от человека к человеку

Кожура овощей и фруктов содержит больше клетчатки, чем мякоть

Кожура овощей и фруктов содержит больше клетчатки, чем мякоть

Учёные нашли в уравнениях Эйнштейна новый механизм высвобождения энергии

Учёные нашли в уравнениях Эйнштейна новый механизм высвобождения энергии

В России создали «вечные» фильтры для воды

В России создали «вечные» фильтры для воды

Чернобыльские собаки переписывают свои гены ради выживания

Чернобыльские собаки переписывают свои гены ради выживания

Почему медведь выходит к людям? Пять главных причин от специалистов

Почему медведь выходит к людям? Пять главных причин от специалистов

ИИ Claude создал 35 000 вариантов антител за месяц — некоторые могут помочь в лечении аллергии

ИИ Claude создал 35 000 вариантов антител за месяц — некоторые могут помочь в лечении аллергии

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

«Черный ящик»: как устроен главный свидетель авиакатастроф и почему его нельзя заменить облаком

«Черный ящик»: как устроен главный свидетель авиакатастроф и почему его нельзя заменить облаком

Комета Галлея возвращается: почему её появление в 1986 году разочаровало миллионы людей и чего ждать в 2061-м

Комета Галлея возвращается: почему её появление в 1986 году разочаровало миллионы людей и чего ждать в 2061-м

Не только чума: семь самых смертоносных эпидемий и пандемий в истории человечества

Не только чума: семь самых смертоносных эпидемий и пандемий в истории человечества

Космический телескоп NASA Swift упадёт на Землю после 22 лет работы — что будет?

Космический телескоп NASA Swift упадёт на Землю после 22 лет работы — что будет?

Учёные предложили искать сигналы инопланетян по примеру светлячков

Учёные предложили искать сигналы инопланетян по примеру светлячков

ИИ-агентов GPT и Claude столкнули в Minecraft — одни воевали, другие спорили

ИИ-агентов GPT и Claude столкнули в Minecraft — одни воевали, другие спорили

Астрономы обнаружили, как звезда-спутник искажает атмосферу Бетельгейзе

Астрономы обнаружили, как звезда-спутник искажает атмосферу Бетельгейзе