Исследователи имитируют решётчатые структуры для создания более прочных 3d-печатных метакристаллических материалов

В совместном исследовании учёные из Имперского колледжа Лондона и Универ-ситета Шеффилда проанализировали решётчатые структуры 3d-печатных объектов и сравнили их со структурой металлического монокристалла. Они обнаружили, что решётки почти точно воспроизводят монокристаллические структуры металлов, причем узлы трёхмерной печатной решётки эквивалентны атомам монокристалла, а распорки высту-пают в роли атомных связей.

В обеих структурах атомные плоскости, или узлы в случае решётки, выровнены. Это свойство отлично подходит для применений, где важно иметь устойчивость к деформации при экстремальных температурах, например, в реактивных двигателях. Но в других случаях оно является недостатком – когда состояние кристалла достигает предела прочности, он катастрофически разрушается. Трещина всегда идёт по пути наименьшего сопротивления, а в монокристаллическом материале это выровненные вдоль атомной плоскости узлы.

Поликристаллические материалы имеют другую структуру, их атомные плоскости расположены случайным образом. Трещина в этом материале остановится раньше, так как путь наименьшего сопротивления изгибается в различных направлениях между узлами. Таким образом, если внутренние решётки трёхмерных печатных объектов моделировать по образу поликристаллических структур, то изделия должны быть прочнее.

Исследовательская группа взяла модели поликристаллических атомных структур, масштабировала их и создала мезоструктуры для 3d-печати. Они назвали эти решётки метакристаллами. Эксперименты показали, что 3d-объекты с поликристаллическими решётками оказались в семь раз прочнее, чем объекты со стандартной решёткой. Такую существенную разницу в прочности удалось получить простой перестройкой геометрии структуры. Именно 3d-печать сделала это открытие возможным, потому что никаким другим методом получить подобные структуры нельзя.

Профессор Иэн Тодд с кафедры материаловедения и инженерии Университета Шеффилда поясняет: «Такой подход к разработке материалов открывает новые перспективы для аддитивного производства. Слияние физической металлургии с искусственными метаматериалами позволит инженерам создавать устойчивые к повреждениям материалы с желаемой прочностью, а также улучшать эксплуатационные характеристики таких материалов в ответ на внешние нагрузки».

Д-р Минь-Сон Фам из Имперского колледжа Лондона также рассказала о возможности применения 3d-принтеров с многокомпонентной печатью: «Метакристаллический подход можно сочетать с недавними достижениями в области многокомпонентной 3d-печати, чтобы создавать новые современные материалы, которые будут легкими и прочными, с потенциалом для улучшения будущих низкоуглеродных технологий. "Примером может служить шлем с мягкой резиновой поверхностью, но с жёсткой поликристаллической частью внутри, напечатанный как один 3d-объект.