【材料】従来と異なる格子を使って3Dプリンター材料の強度を高める
Nature
複数の配向を有する格子を使って、これまでより強度を高めた人工軽量材料が3Ｄプリンターで作製されたことを報告する論文が、今週掲載される。この新しい格子設計は、強靭な金属合金の根底にある原理に基づいている。
3Ｄプリンターを利用すれば、ノードとノードをつなぐ支柱の反復からなる格子構造を有する設計材料を作製でき、これによって設計材料の軽量化と強靭化を図れる。ところが、これらの材料はひとたび壊れると壊滅的なまでに崩壊してしまうため、その実際的な用途は制限されている。このような崩壊は、設計材料が構造化されている、つまり格子の全体的な配向が同じことが原因である。これと同じ現象は、同様に構造化されていて、特定の面に沿った内部すべりによって変形する金属単結晶で起こる。これに対して、さまざまな配向を有する結晶粒を含む多結晶材料においては、結晶粒間の境界が、発生したすべりと亀裂の伝播を防止する上で役立っている。その結果、多結晶材料の変形への耐性が高くなっている。
今回、Minh-Son Phamたちの研究グループは、多結晶材料を模倣して、粒状構造を有する新しい格子様のメタ材料を設計し、内部格子の配向が領域によって異なるようにした。そして、この粒状のメタ材料（「メタ結晶」と命名）を変形させたところ、従来のメタ材料と比べて、強度がはるかに高く、耐損傷性も高いことが明らかになった。また、多結晶材料と同様に、メタ結晶の強度は、それぞれの粒子様の格子領域を小さくすることで高められる。
さらに、Phamたちは、外部から力をかけるとねじれて異なる配置になる構造を有する特異なメタ結晶を作製して、結晶材料における類似の再配置を模倣した。今回の知見をまとめると、さまざまな用途に適したより強靭で軽量の3Dプリンター材料の開発につながる可能性が明らかになった。
Stronger yet lightweight artificial materials made by 3D-printing lattices with multiple orientations are reported in a paper published in this week’s Nature. The new lattice designs are based on the principle that underlies strong metal alloys.
With a 3D printer, designed materials can be produced with a lattice structure of repeating nodes and connecting struts, which can make them both lightweight and strong. When these materials fail, however, they do so catastrophically, limiting their practical use. This failure results from how these materials are structured - a lattice with a single overall orientation. The same phenomenon occurs in metallic single crystals, which are structured similarly and deform through internal slips along specific planes. However, in polycrystalline materials, which contain crystal grains of different orientations, the boundaries between grains help to stop developing slips and cracks from propagating. This increases the ability of these materials to withstand deformation.
Minh-Son Pham and colleagues emulate polycrystalline materials to design new lattice-like metamaterials with granular structures, giving different regions of the internal lattice different orientations. The authors find that, when deformed, the granular metamaterial - which they dub a ‘meta-crystal’ - is far stronger and more damage-tolerant than conventional metamaterials. As with polycrystalline materials, the strength of the meta-crystals can be increased by reducing the size of each grain-like lattice region.
The authors also create specific meta-crystals structured to twist into a different configuration when force is applied, mimicking similar rearrangements in crystalline materials. Together, these findings could lead to tougher, lightweight 3D-printed materials suitable for a variety of applications.
doi: 10.1038/s41586-018-0850-3
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