Um “metamaterial” impresso em 3D com níveis de resistência ao peso normalmente não vistos na natureza ou na fabricação poderia mudar a forma como fabricamos tudo, desde implantes médicos até peças de aeronaves ou foguetes.

Os pesquisadores da Universidade RMIT criaram o novo metamaterial – um termo usado para descrever um material artificial com propriedades únicas não observadas na natureza – a partir de uma liga comum de titânio.

Mas é o design exclusivo da estrutura treliçada do material, recentemente revelado na revista Advanced Materials , que o torna tudo menos comum: testes mostram que é 50% mais forte do que a próxima liga mais forte de densidade semelhante usada em aplicações aeroespaciais.

As estruturas treliçadas feitas de suportes ocos foram originalmente inspiradas na natureza: plantas fortes de caule oco, como o nenúfar Victoria ou o resistente coral de tubo de órgão (Tubipora musica), mostraram-nos o caminho para combinar leveza e força.

No entanto, como explica o ilustre professor Ma Qian da RMIT, décadas de tentativa de replicar essas 'estruturas celulares ' ocas em metais foram frustradas pelos problemas comuns de capacidade de fabricação e tensão de carga concentrada nas áreas internas das escoras ocas, levando a falhas prematuras.

“Idealmente, o estresse em todos os materiais celulares complexos deveria ser distribuído uniformemente”, explicou Qian.

"No entanto, para a maioria das topologias, é comum que menos da metade do material suporte principalmente a carga compressiva, enquanto o maior volume de material é estruturalmente insignificante."

A impressão 3D em metal oferece soluções inovadoras e sem precedentes para esses problemas.

Ao levar o design da impressão 3D ao seu limite, a equipe da RMIT otimizou um novo tipo de estrutura treliçada para distribuir o estresse de maneira mais uniforme, aumentando sua resistência ou eficiência estrutural.

"Projetamos uma estrutura de treliça tubular oca que possui uma faixa fina em seu interior. Esses dois elementos juntos mostram força e leveza nunca antes vistos juntos na natureza", disse Qian.

"Ao fundir efetivamente duas estruturas de rede complementares para distribuir a tensão uniformemente, evitamos os pontos fracos onde a tensão normalmente se concentra."

A equipe imprimiu este projeto em 3D no Advanced Manufacturing Precinct da RMIT usando um processo chamado fusão de leito de pó a laser, onde camadas de pó metálico são derretidas no lugar usando um feixe de laser de alta potência.

Os testes mostraram que o design impresso – um cubo de treliça de titânio – era 50% mais forte do que a liga de magnésio fundido WE54, a liga mais forte de densidade semelhante usada em aplicações aeroespaciais. A nova estrutura reduziu efetivamente pela metade a quantidade de tensão concentrada nos infames pontos fracos da rede.

O design de treliça dupla também significa que quaisquer fissuras são desviadas ao longo da estrutura, aumentando ainda mais a resistência.

Autor principal do estudo e Ph.D. da RMIT. o candidato Jordan Noronha disse que poderia fazer essa estrutura na escala de vários milímetros ou vários metros usando diferentes tipos de impressoras.

Essa capacidade de impressão, juntamente com sua resistência, biocompatibilidade, corrosão e resistência ao calor, tornam-no um candidato promissor para muitas aplicações, desde dispositivos médicos, como implantes ósseos, até peças de aeronaves ou foguetes.

"Em comparação com a liga de magnésio fundido mais forte disponível atualmente usada em aplicações comerciais que exigem alta resistência e leveza, nosso metamaterial de titânio com densidade comparável mostrou ser muito mais forte ou menos suscetível a mudanças permanentes de forma sob carga compressiva, sem mencionar que é mais viável para fabricação", disse Noronha.

A equipe planeja refinar ainda mais o material para máxima eficiência e explorar aplicações em ambientes de temperaturas mais altas.

Embora atualmente seja resistente a temperaturas de até 350 °C, eles acreditam que ele poderia ser fabricado para suportar temperaturas de até 600 °C usando ligas de titânio mais resistentes ao calor para aplicações na indústria aeroespacial ou em drones de combate a incêndios.

Como a tecnologia para fabricar este novo material ainda não está amplamente disponível, a sua adoção pela indústria poderá levar algum tempo.

“Os processos de fabricação tradicionais não são práticos para a fabricação desses intrincados metamateriais metálicos, e nem todo mundo tem uma máquina de fusão a laser em pó em seu armazém”, disse ele.

"No entanto, à medida que a tecnologia se desenvolve, ela se tornará mais acessível e o processo de impressão se tornará muito mais rápido, permitindo que um público maior implemente nossos metamateriais multitopologia de alta resistência em seus componentes. É importante ressaltar que a impressão 3D de metal permite um fácil formato da rede fabricação para aplicações reais."

O Diretor Técnico do Distrito de Manufatura Avançada da RMIT, Ilustre Professor Milan Brandt, disse que a equipe deu as boas-vindas às empresas que desejam colaborar nas muitas aplicações potenciais.

"Nossa abordagem é identificar desafios e criar oportunidades por meio de design colaborativo, troca de conhecimento, aprendizagem baseada no trabalho, resolução de problemas críticos e tradução de pesquisas", disse ele.