Titânio impresso em 3D supera em 50% as melhores ligas aeroespaciais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/02/2024

O protótipo é um pequeno cubo, mas que poderia ser fabricado com até vários metros, bastando usar uma impressora maior.
[Imagem: RMIT]

Metamaterial de titânio

Engenheiros australianos usaram uma tecnologia de impressão 3D para criar um material à base de titânio que é 50% mais forte do que a liga mais forte de densidade semelhante usada em aplicações aeroespaciais.

Mas não é apenas uma questão da técnica de impressão: A nova liga de titânio possui uma estrutura cuidadosamente projetada, o que a torna um metamaterial, um material artificial projetado para apresentar características que os materiais naturais não possuem.

Assim, tanto a impressão 3D quanto a liga de titânio precursora são comuns e disponíveis: O segredo está no modo como as menores estruturas do material - neste caso esferas e barras - são dispostas de modo preciso e periódico.

"Nós projetamos uma estrutura de treliça tubular oca que possui uma faixa fina em seu interior. Esses dois elementos juntos apresentam força e leveza nunca antes vistos juntos na natureza," disse o professor Ma Qian. "Ao fundir efetivamente duas estruturas de rede complementares para distribuir uniformemente o estresse, evitamos os pontos fracos onde o estresse normalmente se concentra."

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

Os testes mostraram que um protótipo em formato de cubo impresso com titânio é 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 pontos fracos da rede.

Detalhes da arquitetura do metamaterial metálico.
[Imagem: Jordan Noronha et al. - 10.1002/adma.202308715]

Biomimetismo metálico

As estruturas treliçadas feitas de suportes ocos foram originalmente inspiradas na natureza: Plantas fortes de caule oco, como o nenúfar ou vitória-régia, ou o resistente coral tubos de órgão (Tubipora musica), mostraram ao cientistas o caminho a seguir para combinar leveza e força.

No entanto, 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.

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

Segundo o pesquisador Jordan Noronha, responsável pelo aprimoramento da técnica, é possível replicar a estrutura do seu pequeno cubo na escala de vários milímetros ou vários metros, bastando para isso usar diferentes tipos de impressoras. Por isso, ele está entusiasmado com a possibilidade de sua tecnologia chegar ao uso prático. Além disso, enquanto o pequeno cubo é resistente a temperaturas de até 350 °C, Noronha acredita 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.

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

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