Ny teknik til at skabe lette materialer, der er stivere og stærkere end tidligere muligt

Fremskridt inden for materialeteknik har ført til udviklingen af ​​lette strukturer, der er både stærke og stive, som forvandler rumfart, bilindustrien og medicinsk industri. Konventionelle fremstillingsteknikker som støbning og bearbejdning, imidlertid, begrænse de designs, der kan fremstilles, da de er tilbøjelige til unøjagtigheder og kæmper for at opnå de bedste resultater.

Nu, forskere ved A*STAR har opfundet en metode, der bruger additive fremstillingsteknikker til at skabe lette gitterstrukturer med stærkt forbedret stivhed og styrke1, baner vejen for nye materialer til brug i en bred vifte af applikationer, herunder stødabsorberende materialer og sandwichstrukturer.

Designet og optimeringen af ​​lette cellulære og gitterstrukturer er et spirende felt, der er muliggjort af fremskridt inden for metal- og polymeradditivfremstilling, såsom evnen til præcist at udskrive meget komplekse geometrier.

Ved at efterligne strukturer, der forekommer i naturen, Stephen Daynes og kolleger fra A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology har udviklet en metode til at skabe disse nye robuste materialer i samarbejde med forskere fra National University of Singapore.

"Gitterstrukturer overstiger den strukturelle ydeevne af konventionelle faste materialer til brug i lette sandwichkerner, medicinske implantater og en ny klasse af gitter-type metamaterialer med specifikke mekaniske og termiske egenskaber, " forklarer Daynes. "Ved at bruge en ny biomimetisk metode, vi var i stand til at skabe cellulære og gitterstrukturer svarende til dem, der ses i bambus og menneskeknogler."

Forskerne fastslog de vigtigste linjer for stress, kaldet isostatiske linjer, i gitteret ved hjælp af en metode, der kombinerer topologi og størrelsesoptimering. Denne tilgang tillader størrelsen, form og orientering af hver celle i strukturen, der skal skræddersyes, reducerer spændingen mellem nabogitterceller markant.

Forskerne sammenlignede ydeevnen af ​​deres graderede gitterstruktur med en ensartet gitterkerne og fandt ud af, at deres optimerede design havde øget stivheden med 172 procent og styrken med 100 procent.

"Vores teknik kan skabe letvægts, funktionelt sorterede gitter, der i høj grad forbedrer stivheden og styrken af ​​additivt fremstillede sandwichstrukturer uden at øge deres masse, " siger Daynes. "Disse strukturer er særligt velegnede til additive fremstillingsprocesser, da de stort set ikke er begrænset af fremstillingskompleksitet."

"Vi planlægger at anvende metoden til tredimensionelle stressfelter, hvor anvendelse af rumligt sorterede gitter kan føre til nye og mere vægteffektive materialer, " siger Daynes.