Metamaterial basado en titanio desbloquea la fuerza más allá de la naturaleza.

Un innovador metamaterial de titanio con fuerza y ​​versatilidad incomparables podría revolucionar la fabricación y la aviación de alta velocidad.

Se ha diseñado un material de titanio ligero y de alta resistencia que podría conducir a dispositivos médicos más fuertes y diseños innovadores de vehículos y naves espaciales. El equipo de investigación utilizó una aleación de titanio común, ti -6 al -4 V, para construir el "metamaterial", un término utilizado para describir un material artificial que posee propiedades únicas no observadas en la naturaleza, meta significa " más allá "en griego.

Muchas estructuras intrincadas y sorprendentemente fuertes existen en la naturaleza, como las del lirio de agua de Victoria. Nativo de América del Sur, esta gigantesca hoja flotante es lo suficientemente fuerte como para apoyar a un adulto debido a la estructura de red única de sus venas.

Las estructuras de los materiales artificiales se pueden diseñar para imitar estas plantas y otros materiales porosos naturales como el coral, con diferentes redes que van desde cubos simples hasta dodecaedros complejos. Los poros en estas estructuras de red interconectan, formando canales. Conocidos como materiales "celulares", estos materiales de red a menudo vienen con una compensación de fuerza si no se diseñan adecuadamente, según los investigadores de RMIT.

"Sin embargo, la impresión 3D de metal es un cambio de juego, que permite a los investigadores diseñar y fabricar luz de luz y metales celulares fuertes altamente innovadores", dijo Jordan Noronha, Ph.D. candidato que trabajó en el proyecto en RMIT.

En los materiales celulares, las redes están conectadas en tres dimensiones por varillas o haces sólidos delgados llamados puntales. En su lugar, al usar puntales huecos, los investigadores tenían como objetivo hacer que un material celular de baja densidad sea tan fuerte como una aleación metálica sólida con una densidad similar a aleaciones de magnesio de alta resistencia.

Impresión del metamaterial

El equipo de investigación dirigido por Ma Qian, profesor en el Centro de Fabricación de Aditivos de RMIT, utilizó un proceso de impresión 3D llamado "fusión láser en lecho de polvo" para fabricar los metamateriales de titanio. Esta técnica, que construye una capa de material por capa utilizando un haz láser de alta potencia, se usa comúnmente para preparar piezas de fabricación complejas desde menos de un milímetro hasta casi dos metros de tamaño.

Qian explicó el enfoque de su equipo. "Primero, toda la muestra de metamaterial de la red está diseñada como un modelo digital. Luego, este modelo se corta digitalmente en muchas capas delgadas utilizando una herramienta de software".

"Este proceso de fabricación basado en la capa implica la fusión láser de polvos de metal, la solidificación rápida del metal líquido (los polvos de metal derretido) y los procesos repetidos de calefacción y enfriamiento del metal solidificado", explicó.

Qian dice que todo el proceso actualmente toma alrededor de 18 horas, pero a través de la optimización, él y su equipo planean acortar el período de tiempo en el futuro.

¿Qué hace que el material sea tan fuerte?

Los puntales huecos y las placas delgadas son las dos topologías responsables de la alta resistencia del metamaterial. A diferencia de la mayoría de los materiales celulares, que contienen puntos débiles donde se concentra el estrés, estas dos redes complementarias distribuyen uniformemente el estrés mientras proporcionan apoyo.

"Idealmente, el estrés en todos los materiales celulares debe extenderse uniformemente", explicó Qian. "Sin embargo, para la mayoría de las topologías, es común que menos de la mitad del material soportar principalmente la carga de compresión, mientras que el mayor volumen de material es estructuralmente insignificante".

"Este diseño de múltiples topología también promueve la desviación de las rutas de crack para mejorar la dureza", agregó. "En lugar de las grietas que ocurren directamente a través de la red, que ocurren en la mayoría de los materiales celulares, en nuestra topología de celosía de huella hueca de placa delgada, los puntales y las placas trabajan juntas para desviar las grietas a lo largo de un camino más largo".

Las aleaciones de magnesio se utilizan actualmente en aplicaciones comerciales que requieren alta resistencia y liviana. En comparación con la aleación de magnesio fundido más fuerte disponible (WE54), una muestra del metamaterial de titanio con una densidad comparable es mucho más fuerte. Las aleaciones de magnesio tampoco son susceptibles de fusión de lecho de polvo láser o impresión 3D debido a la vaporización del polvo, dando a la aleación de titanio una ventaja de fabricación.

Próximos pasos y aplicaciones potenciales

Antes de que se comercialice el material, Qian y su equipo primero quieren asegurarse de que el material funcione con su máxima eficiencia.

Para hacer esto, planean mejorar su diseño actual para fortalecer y aligerar aún más sus metamateriales de titanio. Por ejemplo, según las simulaciones numéricas, ajustarán la proporción de placas delgadas a puntales huecos para permitir una distribución de tensión más uniforme en toda la estructura.

Según los investigadores, si el metamaterial se fabrica a partir de una aleación de titanio de alta temperatura, se puede usar a temperaturas de hasta 600 grados. Esta característica, junto con su resistencia a la corrosión, hace que el material sea adecuado para su uso en aviones voladores o misiles de alta velocidad, que deben poder resistir el calor intenso generado por sus altas velocidades. Los drones de titanio utilizados para monitorear o combatir de cerca los incendios forestales también se beneficiarían del peso ligero, la resistencia y la resistencia al calor del metamaterial.

Debido a que el metamaterial también es biocompatible, también podría usarse en dispositivos médicos como implantes óseos. Sin embargo, la tecnología aún no está ampliamente disponible en esta etapa, por lo que su adopción por parte de la industria podría llevar algún tiempo. "Nuestra limitación más importante es la exclusividad de nuestra tecnología, y el costo de la fabricación podría ser otra preocupación importante", declaró Qian.

"Los procesos de fabricación tradicionales no son prácticos para la fabricación de estos intrincados metamateriales de metales, y no todos tienen una máquina de fusión de lecho de polvo láser en su almacén", agregó. "Sin embargo, a medida que se desarrolle la tecnología, será más accesible, lo que permitirá a una audiencia más amplia implementar nuestros metamateriales múltiples de alta resistencia en sus componentes".