Природа – величайший учитель инженера. Люди разработали хирургические иглы от комаров, светодиодные лампы от светлячков и даже вертолетную технику от колибри. Чтобы создать одни из самых прочных аэрокосмических материалов, инженеры также вырвали страницу из учебника эволюции, воссоздав решетчатые структуры в полых стойках, найденных в викторианских кувшинках и выносливых органных кораллах.
Однако воссоздание этих природных структур стало головной болью для инженеров, поскольку ограниченные производственные возможности означают, что эти решетчатые конструкции не соответствуют своему несущему потенциалу. К счастью, эра 3D-печати теперь предлагает такой уровень утонченности, который, наконец, позволяет инженерам раскрыть секреты природы, легкие, но прочные.
В новой статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, ученые из Королевского Мельбурнского технологического института (RMIT) в Мельбурне, Австралия, создали напечатанный на 3D-принтере метаматериал, который на 50 процентов прочнее литого магниевого сплава WE54, используемого в аэрокосмической промышленности (который имеет аналогичную плотность). Команда преодолела распространенную проблему с этими полыми «ячеистыми структурами», связанную с концентрацией напряжения на определенных участках стойки, что приводит к преждевременному выходу из строя. Вместо этого ученые разработали мультитопологическую решетку, которая равномерно распределяет нагрузку, чтобы избежать несущих «горячих точек», а также отклоняет трещины вдоль конструкции.
«Для большинства топологий обычно менее половины материала в основном выдерживает сжимающую нагрузку, в то время как больший объем материала структурно незначителен», — сказал в заявлении для прессы профессор Университета RMIT и соавтор исследования Ма Цянь. «Мы разработали полую трубчатую решетчатую структуру, внутри которой проходит тонкая полоса. Эти два элемента вместе демонстрируют силу и легкость, никогда ранее не встречавшиеся вместе в природе… эффективно объединяя две взаимодополняющие решетчатые структуры для равномерного распределения напряжения, мы избегаем слабых мест, где обычно концентрируется напряжение».
Создание этой сверхпрочной многотопологической решетки возможно благодаря лазерному принтеру RMIT для плавления порошковых слоев (L-PBF), который намного сложнее, чем обычный настольный 3D-принтер. Как следует из названия, в этой машине используется металлический порошок, который расплавляется с помощью мощных лазерных лучей. Согласно отдельному исследованию RMIT, проведенному в 2023 году, этот принтер «накладывает мало конструктивных ограничений на геометрию деталей… позволяет производить сложные детали с широкими возможностями настройки».
Эта невероятная степень свободы производства позволила исследователям не только создавать сверхпрочные решетчатые кубы, но и создавать их различных размеров — от нескольких метров до нескольких миллиметров, расширяя их потенциальное применение в различных отраслях. Материал также устойчив к коррозии и нагреву и выдерживает температуру до 350 градусов Цельсия (хотя ученые уверены, что возможен порог в 600 градусов Цельсия).
Хотя открытие этого чрезвычайно прочного метаматериала является первым шагом, производство такого сложного объекта в больших масштабах является совершенно другой задачей. Это происходит в первую очередь потому, что, как открыто признают исследователи, «не у каждого на складе есть машина для лазерного термоядерного синтеза».
Но как только они это сделают, чудеса природы снова окажутся в пределах нашей досягаемости.
