Основываясь на структурной сложности деревьев и костей, инженеры Университета штата Вашингтон разработали способ 3D-печати двух типов стали в одном круговом слое с использованием двух сварочных аппаратов. Полученный биметаллический материал оказался на 33-42% прочнее любого из металлов по отдельности, отчасти благодаря давлению, возникающему между металлами при их совместном охлаждении.
В новом методе используются обычные, относительно недорогие инструменты, поэтому производители и ремонтные мастерские могли бы использовать его в ближайшем будущем. При дальнейшем развитии он потенциально может быть использован для изготовления высокоэффективных медицинских имплантатов или даже деталей для космических путешествий, сказал Амит Бандиопадхьяй, старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.
«Это имеет очень широкое применение, потому что любое место, где выполняется любой вид сварки, теперь может расширить свои дизайнерские концепции или найти применение, где они могут сочетать очень твердый материал и мягкий материал почти одновременно», — сказал Бандиопадхьяй, профессор Школы механики и материаловедения WSU.
Исследовательская группа позаимствовала идею у природы, отметив, что деревья и кости обретают свою прочность благодаря тому, как многослойные кольца из различных материалов взаимодействуют друг с другом. Чтобы имитировать это с металлами, исследователи WSU использовали сварочное оборудование, обычно используемое в автомобильных и механических мастерских, встроенное в компьютер с числовым программным управлением или станок с ЧПУ. Новая гибридная установка создает детали с использованием точного компьютерного программирования и двух сварочных головок.
При демонстрации нового метода 3D-печати две сварочные головки работают одна за другой на круговом слое, чтобы напечатать два металла: наружный корпус из более дешевой «мягкой» стали и устойчивый к коррозии сердечник из нержавеющей стали внутри. Поскольку металлы при охлаждении сжимаются с разной скоростью, создается внутреннее давление, которое, по сути, прижимает металлы друг к другу. Испытания показали, что полученный результат обладает большей прочностью, чем нержавеющая сталь или низкоуглеродистая сталь сами по себе. Источник: Вашингтонский государственный университет
В ходе демонстрации две сварочные головки работали одна за другой на круглом слое для печати двух металлов, каждый из которых обладает определенными преимуществами. Внутри внешней оболочки из более дешевой «мягкой» стали, подобной той, что используется в мостах или железных дорогах, был создан устойчивый к коррозии сердечник из нержавеющей стали. Поскольку металлы при охлаждении сжимаются с разной скоростью, было создано внутреннее давление, которое, по сути, скрепляло металлы вместе. Испытания показали, что полученный результат обладает большей прочностью, чем нержавеющая сталь или низкоуглеродистая сталь сами по себе.
В настоящее время 3D-печать с использованием нескольких металлов в сварочной установке требует остановки и замены металлических проволок. Новый метод устраняет эту паузу и помещает два или более металлов в один слой, пока они еще горячие.
«Этот метод осаждает металлы по кругу, а не просто по линии. Поступая таким образом, мы в корне отличаемся от того, что было возможно», — сказал Лайл Сквайрс, докторант кафедры машиностроения WSU и первый автор исследования. «Движение по кругу, по сути, позволяет одному материалу плотно прилегать к другому материалу, чего не может произойти при печати по прямой линии или многослойно».
Возможность послойного упрочнения металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, может вскоре предоставить автомобильным магазинам новые возможности для быстрого создания прочных стальных деталей по индивидуальному заказу. Например, можно было бы разработать биметаллические полуоси, устойчивые к крутящему моменту, или экономичные, высокоэффективные тормозные диски.
В будущем исследователи видят потенциал для медицинских производственных процессов, которые позволяют изготавливать эндопротезы суставов из прочного титана снаружи и внутреннего материала, такого как магнитная сталь, обладающая целебными свойствами. Аналогичным образом, конструкции в космосе могли бы иметь термостойкий материал, окружающий внутренний материал с охлаждающими свойствами, чтобы помочь конструкции поддерживать постоянную температуру.
«В этой концепции используется печать обоих сварщиков, поэтому мы можем использовать несколько материалов в одном слое, создавая преимущества за счет их сочетания», — сказал Бандиопадхьяй. «И это не обязательно должно ограничиваться только двумя материалами. Он может быть расширен».
Исследователи и WSU подали предварительную заявку на патент на эту разработку.
