Onderzoekers van ETH hebben een familie van architecturen ontwikkeld en vervaardigd die de stijfheid van poreuze lichtgewicht materialen maximaliseert. Het is praktisch onmogelijk om stijvere ontwerpen te ontwikkelen.

3D-printen en andere additieve productietechnieken maken het mogelijk om materialen te vervaardigen met interne structuren van voorheen onvoorstelbare complexiteit. Dit is interessant voor lichtgewicht constructies, te, omdat het de ontwikkeling mogelijk maakt van materialen met een zo hoog mogelijk aandeel aan binnenruimten (om de materialen zo licht mogelijk te maken) maar tegelijkertijd zo robuust mogelijk zijn. Om dit te bereiken, moeten de interne structuren intelligent worden georganiseerd voor maximale efficiëntie.

Een onderzoeksteam van ETH Zürich en MIT onder leiding van Dirk Mohr, Hoogleraar Computational Modeling of Materials in Manufacturing, heeft materiaalarchitecturen ontwikkeld en gefabriceerd die in alle drie de dimensies even sterk zijn, en die tegelijkertijd extreem stijf zijn.

Het is mogelijk om wiskundig te bepalen hoe stijf materialen met interne holtes theoretisch kunnen worden; Het is aangetoond dat Mohr's structuren extreem dicht bij deze theoretische maximale stijfheid komen. In andere woorden, het is praktisch onmogelijk om andere materiaalstructuren te ontwikkelen die stijver zijn voor het gegeven gewicht.

Platen die spanten vervangen

Kenmerkend voor het ontwerp is dat de stijfheid in het interieur van het materiaal wordt bereikt door plaatroosters in plaats van spanten.

"Het truss-principe is heel oud; het wordt al lang gebruikt voor vakwerkhuizen, stalen bruggen en stalen torens, zoals de Eiffeltoren.

We kunnen door vakwerkroosters kijken, daarom worden ze vaak gezien als ideale lichtgewicht constructies, ", zegt professor Mohr. "Echter, met behulp van computerberekeningen, theoretische en experimentele metingen, we hebben nu een nieuwe familie van plaatroosterstructuren ontwikkeld die tot drie keer stijver zijn dan vakwerkroosters van hetzelfde gewicht en volume" (zie kader.) En het is niet alleen de stijfheid (weerstand tegen elastische vervorming) van deze structuren die theoretische maximale waarden benadert:hun sterkte (weerstand tegen onomkeerbare vervorming) doet, te.

De ETH-onderzoekers ontwikkelden deze roosters in eerste instantie op de computer, het berekenen van hun eigenschappen in het proces. Vervolgens produceerden ze ze op micrometerschaal van plastic via 3D-printing. Mohr benadrukt, echter, dat de voordelen van dit ontwerp universeel toepasbaar zijn - voor alle samenstellende materialen en ook op alle lengteschalen, van heel klein (nanometergroot) tot heel groot.

Hun tijd vooruit

Mohr en zijn onderzoeksteam zijn hun tijd vooruit met deze nieuwe roosters:momenteel fabricage met 3D-printen is nog relatief duur. "Als dit soort roosters tegenwoordig additief van roestvrij staal zouden worden gemaakt, ze zouden per gram evenveel kosten als zilver, ", zegt Mohr. "Maar de doorbraak zal komen wanneer additive manufacturing-technologieën klaar zijn voor massaproductie. lichtgewicht constructie, waarvan de huidige kosten het praktische gebruik ervan beperken tot vliegtuigbouw en ruimtevaarttoepassingen, zou dan ook kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen waarbij gewicht een rol speelt.” Naast het lichter maken van constructies, de talrijke holtes verminderen ook de hoeveelheid benodigde grondstoffen, en dus ook de materiaalkosten.

Er is geen limiet aan de potentiële toepassingen, zegt Mohr. Medische implantaten, laptopbehuizingen en ultralichte voertuigconstructies zijn slechts drie van de vele mogelijke voorbeelden. "Wanneer de tijd rijp is, zodra lichtgewicht materialen op grote schaal worden vervaardigd, "Mohr zegt, "deze periodieke plaatroosters zullen het ontwerp van keuze zijn."