Framsteg inom materialteknik har lett till utvecklingen av lätta strukturer som är både starka och styva, som förvandlar flyg- fordons- och medicinindustrin. Konventionella tillverkningstekniker som gjutning och bearbetning, dock, begränsa designen som kan tillverkas eftersom de är benägna att få felaktigheter och kämpar för att uppnå bästa resultat.

Nu, forskare vid A*STAR har uppfunnit en metod som använder additiv tillverkningsteknik för att skapa lätta gitterstrukturer med kraftigt förbättrad styvhet och styrka1, banar väg för nya material för användning i ett brett spektrum av applikationer inklusive stötabsorberande material och sandwichstrukturer.

Design och optimering av lätta cellulära strukturer och gitterstrukturer är ett framväxande område som möjliggörs av framsteg inom tillverkning av metall- och polymertillsatser, såsom förmågan att exakt skriva ut mycket komplexa geometrier.

Genom att efterlikna strukturer som förekommer i naturen, Stephen Daynes och kollegor från A*STARs Singapore Institute of Manufacturing Technology har utvecklat en metod för att skapa dessa nya robusta material i samarbete med forskare från National University of Singapore.

"Gallerstrukturer överträffar den strukturella prestandan hos konventionella fasta material för användning i lätta sandwichkärnor, medicinska implantat och en ny klass av metamaterial av gittertyp med specifika mekaniska och termiska egenskaper, " förklarar Daynes. "Med en ny biomimetisk metod, vi kunde skapa cellulära strukturer och gitterstrukturer liknande de som ses i bambu och mänskliga ben."

Forskarna fastställde de huvudsakliga linjerna för stress, kallas isostatiska linjer, i gittret med en metod som kombinerar topologi och storleksoptimering. Detta tillvägagångssätt tillåter storleken, form och orientering av varje cell i strukturen som ska skräddarsys, avsevärt minska spänningen mellan närliggande gitterceller.

Forskarna jämförde prestandan för deras graderade gitterstruktur med en enhetlig gitterkärna och fann att deras optimerade design hade ökat styvheten med 172 procent och styrkan med 100 procent.

"Vår teknik kan skapa lätta, funktionellt graderade galler som avsevärt förbättrar styvheten och styrkan hos additivt tillverkade sandwichstrukturer utan att öka deras massa, ", säger Daynes. "Dessa strukturer är särskilt väl lämpade för additiva tillverkningsprocesser eftersom de till stor del inte är begränsade av tillverkningskomplexitet."

"Vi planerar att tillämpa metoden på tredimensionella spänningsfält, där användning av rumsligt graderade gitter kan leda till nya och mer vikteffektiva material, säger Daynes.