Glasgower Ingenieure entwickeln ultraleichtes, hochschlagfestes 3D-gedrucktes Composite für Auto und Luftfahrt

Ingenieure der Universität Glasgow haben ein 3D-gedrucktes Composite pioniert, das Polyolefin-Harze mit Mehrwand-Carbonnanoröhren mischt und ein Material liefert, das sowohl leichter als auch zäher als konventionelles Aluminium ist. In ihrem kürzlich in *Materials & Design* veröffentlichten Paper „Impact Behaviour of Nanoengineered, 3D-Printed Plate-Lattices“ beschreibt das Team ein neuartiges Plattengitter-Metamaterial mit außergewöhnlicher Schlagfestigkeit.

Metamaterialien sind künstlich erzeugte zelluläre Feststoffe, die Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht vorkommen. Plattengitter, eine Teilmenge davon, sind kubische Gerüste aus sich schneidenden Platten, die bemerkenswerte Steifigkeit und Festigkeit bei hoher Porosität erreichen, was sie leicht hält.

Das Team untersuchte, ob Plattengitter-Geometrien, gefertigt aus ihrem neuartigen Kunststoff-Nanoröhren-Composite, bestehende Materialien in Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit übertreffen könnten. Mit dem Composite-Filament als 3D-Druck-Rohmaterial druckten sie mehrere Gitterkonfigurationen und unterzogen प्रत्येक Falltests – Freifall eines 16,7-kg-Gewichts aus verschiedenen Höhen – um Schockresilienz zu bewerten.

Zunächst fertigten die Forscher drei kanonische Plattengitter-Varianten: eine grundlegende kubische Einheit aus drei sich schneidenden Platten; einen komplexeren Würfel mit zusätzlichen Plattenschnitten; und ein vielseitiges Design. Jede Variante wurde in zwei Materialserien hergestellt – Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE).

Anschließend evaluierten sie drei hybride Plattengitter, die Attribute der initialen Designs vereinten: einen einfachen-Würfel/komplexen-Würfel-Hybrid, einen einfachen-Würfel/vielseitigen Hybrid und einen Composite-Hybrid, der alle drei Elemente integrierte. Diese Hybride wurden ebenfalls aus PP und PE gefertigt.

Der All-in-One-Hybrid demonstrierte die höchste Stoßenergieabsorption, insbesondere die PP-Variante. Bewertet nach spezifischer Energieabsorption – ein Maß für aufgenommene Energie pro Einheitsmasse – hielt der PP-Hybrid 19,9 J g⁻¹ stand und übertraf vergleichbare aluminiumbasierte mikroarchitektonische Metamaterialien.

Dr. Shanmugam Kumar, Leiter der Composites and Additive Manufacturing Gruppe an der University of Glasgow's James Watt School of Engineering, leitete die Studie. Das Projekt zog auch Maschinenbau- und Chemieingenieure der Khalifa University in Abu Dhabi und der Texas A&M University in College Station, USA, an.

Kumar erklärte: „Diese Forschung steht an der Schnittstelle von Mechanik und Materialwissenschaft. Indem wir unser nano-engineertes Filament-Rohmaterial mit anspruchsvollen hybriden Gitterdesigns balancieren, haben wir beispiellose Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorptions-Performance erreicht. Fortschritte im 3D-Druck ermöglichen nun kosteneffektive Fertigung solch komplexer, hochporöser Geometrien und bringen industrielle Skalierung in Reichweite.“

Kumar hob die Automobilfertigung als Schlüsselanwendungsfall hervor, da der unerbittliche Drang nach leichteren Fahrzeugkarosserien Materialien verlangt, die die Crash-Sicherheit nicht kompromittieren. „Während Aluminium weit verbreitet ist, liefert unser Plattengitter überlegene Schlagfestigkeit, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Automobilstrukturen macht. Zusätzlich passt die Recyclebarkeit der involvierten Kunststoffe zum globalen Streben nach Net-Zero und Kreislaufwirtschaft“, fügte er hinzu.