3D 列印的「超材料」強度超越比航太領域使用的最強合金還要強 50%。

澳洲科學家利用雷射和金屬粉末創造出超強、超輕的新型「超材料」，但這個聽起來很科幻的發明概念卻來自植物界的啟發。

挑戰：強而輕的材料，如碳纖維和石墨烯，被用來製造從醫療植入物到飛船的所有東西，而研發具有更高「強度重量比」的材料是許多材料科學家的目標。

為了實現這一目標，一些科學家把目光投向自然界，希望能夠用金屬複製維多利亞睡蓮等植物中具有空心格狀結構的方式，來製造出非常堅固的材料。

到目前為止，利用現有的製造技術所創造出來的合成材料還無法達到自然界中同類材料的強度，這主要是由於應力分布不均導致的問題。

皇家墨爾本理工大學先進製造和材料傑出教授Ma Qian表示：「理想情況下，所有複雜蜂窩狀材料的應力都應均勻分布。然而對於大多數拓撲結構而言，對於大多數拓撲結構，通常只有不到一半的材料主要承擔壓縮應力，而較大體積的材料則作用不大。」

利用先進的金屬 3D 列印技術，Ma Qian的團隊現在創造了一種新型「超材料」——一種具有自然界中未見特性的人造材料。這種超材料的網狀結構可以更均勻地分布載荷應力。

在測試中，他們用一種普通的鈦合金製造的超材料被證明比航空航太領域使用的密度相似的最強合金還要強 50%。

Ma Qian解釋道：「我們設計了一種空心管狀的網狀結構，內部有一條細細的環帶。這兩個元素結合在一起，展現出自然界從未見過的強度和輕盈度。透過有效融合兩種互補的網狀結構來均勻分布應力，我們避免了應力通常集中的薄弱環節。」

▲ 先前設計（左）中應力集中的區域以紅色和黃色顯示。在新結構（右）中，應力分佈更加均勻。

為了創造這種超強超材料，皇家墨爾本理工大學團隊採用了一種名為「雷射粉末床熔融」的 3D 列印技術，這與傳統的逐層擠出的 3D 列印非常不同。

這種技術的工作原理是將一層金屬粉末鋪在印表機的底座上。然後使用雷射器按照所需的圖案熔化粉末。接著在工作臺上添加另一層粉末，並重複該過程，新熔化的金屬會與下方的金屬結合在一起。

雖然這種技術使製造獨特的超材料成為可能，但它也可能會成為將超材料從實驗室推向現實世界應用的障礙，至少在最初階段是這樣。

該論文的第一作者喬丹·諾羅納 (Jordan Noronha) 表示：「傳統製造工藝並不適用於製造這些複雜的金屬超材料，而且並不是每個人倉庫裡都有一台雷射粉末床熔融機。」

他接著說：「然而，隨著技術的發展，這種技術將變得更加容易獲得，列印過程也將變得更加快速，使更多的人能夠將我們這種高強度多拓撲超材料應用到他們的元件中。」