Neue Form von 3D-gedrucktem Material für leichtere, sicherere Fahrzeugdesigns und mehr

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Ingenieuren der University of Glasgow hat eine neue Form eines 3D-gedruckten Verbundmaterials entwickelt, das durch die Kombination von Polyolefinharzen mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren hergestellt wird und widerstandsfähiger und leichter ist als ähnliche Formen von Aluminium. Das Team geht davon aus, dass dies zur Entwicklung sichererer, leichterer und langlebigerer Strukturen für den Einsatz in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, erneuerbaren Energie- und Schifffahrtsindustrie führen könnte. In einem neuen Artikel, Impact Behavior of Nanoengineered, 3D Printed Plate-Gitter, veröffentlicht in der Zeitschrift Materials &Design , beschreibt das Team, wie es ein neues zellulares „Metamaterial“ mit Plattengitter entwickelt hat, das eine beeindruckende Stoßfestigkeit aufweist.

Metamaterialien sind eine Klasse von künstlich erzeugten zellulären Feststoffen, die entworfen und konstruiert wurden, um Eigenschaften zu zeigen, die in der natürlichen Welt nicht vorkommen. Eine Form von Metamaterialien, bekannt als Plattengitter, sind kubische Strukturen aus sich überschneidenden Plattenschichten, die trotz eines erheblichen Abstands zwischen den Platten eine ungewöhnlich hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen. Diese Räume, die von Ingenieuren als Porosität bezeichnet werden, machen Plattengitter auch ungewöhnlich leicht.

Die Forscher wollten untersuchen, ob neue Formen des Platten-Gitter-Designs, die aus einem von ihnen entwickelten Kunststoff-Nanoröhren-Verbundstoff hergestellt werden, ein Metamaterial mit noch fortschrittlicheren Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit ergeben könnten. Sie verwendeten ihr nanotechnologisch hergestelltes Filament-Komposit als Ausgangsmaterial in einem 3D-Drucker, der die Filamente zu einer Reihe von Platten-Gitter-Designs verschmolz. Diese Konstruktionen wurden dann einer Reihe von Aufpralltests unterzogen, indem eine Masse von 16,7 kg aus verschiedenen Höhen fallengelassen wurde, um ihre Fähigkeit zu bestimmen, physischen Stößen standzuhalten.

Zuerst testete das Team drei Typen von typischen Plattengittern, die sie entworfen und gebaut hatten:einen einfachen Würfel, der aus der Kreuzung dreier Platten gebildet wurde; ein komplexerer Würfel mit zusätzlichen sich kreuzenden Platten; und ein facettenreicheres Design. Diese typischen Plattengitter wurden in zwei Chargen hergestellt – eine aus Polypropylen und eine aus Polyethylen.

Dann testeten sie drei weitere „hybride“ Plattengitter, die Merkmale aus den einfacheren Designs in den ersten Experimenten enthielten:ein einfacher Würfel/komplexer Würfel-Hybrid; ein einfacher Würfel/Multifacetten-Hybrid; und eine, die alle drei vereinte. Auch hier wurden Chargen aus PP und PE hergestellt.

Das Hybriddesign, das Elemente aller drei typischen Plattengitterdesigns vereint, erwies sich als das mos t effektiv bei der Stoßdämpfung, wobei die PP-Version die größte Stoßfestigkeit aufweist. Unter Verwendung einer als spezifische Energieabsorption bekannten Messung, mit der Wissenschaftler die Fähigkeit eines Materials, Energie im Verhältnis zu seiner Masse zu absorbieren, bestimmen, fand das Team heraus, dass das PP-Hybrid-Plattengitter 19,9 Joule pro Gramm aushalten konnte – angeblich eine überlegene Leistung gegenüber vergleichbaren entwickelte mikroarchitekturierte Metamaterialien auf Basis von Aluminium.

Dr. Shanmugam Kumar, Leader in Composites and Additive Manufacturing an der James Watt School of Engineering der University of Glasgow, leitete das Forschungsprojekt. An dem Forschungsteam waren außerdem Maschinenbau- und Chemieingenieure der Khalifa University in Abu Dhabi und der Texas A&M University at College Station in den USA beteiligt.

Kumar sagte:„Diese Arbeit liegt genau an der Schnittstelle zwischen Mechanik und Materialien. Die Balance zwischen den mit Kohlenstoffnanostrukturen entwickelten Filamenten, die wir als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck entwickelt haben, und den von uns entwickelten Hybrid-Verbundplatten-Gitter-Designs hat zu einem wirklich aufregenden Ergebnis geführt. Im Streben nach Leichtbau wird ständig nach ultraleichten Materialien mit hoher Leistungsfähigkeit gesucht. Unsere nanotechnologischen Hybridplattengitter erreichen außergewöhnliche Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften und weisen gegenüber ähnlichen Gittern aus Aluminium überlegene Energieabsorptionseigenschaften auf. Fortschritte im 3D-Druck machen es einfacher und billiger denn je, komplizierte Geometrien mit maßgeschneiderter Porosität herzustellen, die unser Plattengitterdesign untermauern. Die Herstellung dieser Art von Design im industriellen Maßstab wird eine reale Möglichkeit.“

Laut Kumar und dem Team könnte eine Schlüsselanwendung für diese neue Art von Plattengitter durchaus im Automobilbau liegen, wo ständig bestrebt wird, leichtere Karosserien zu bauen, ohne die Sicherheit bei Crashs zu beeinträchtigen. „Aluminium wird in vielen modernen Autodesigns verwendet, aber unser Plattengitter bietet eine höhere Schlagfestigkeit, was es in Zukunft für diese Art von Anwendungen nützlich machen könnte… Die Recyclingfähigkeit der Kunststoffe, die wir in diesen Plattengittern verwenden, macht es auch Sie sind attraktiv, wenn wir uns in Richtung einer Netto-Null-Welt bewegen, in der zirkuläre Wirtschaftsmodelle von zentraler Bedeutung sein werden, um den Planeten nachhaltiger zu machen“, sagte Kumar.