Een nieuwe vorm van 3D-geprint materiaal, gemaakt door veelgebruikte kunststoffen te combineren met koolstofnanobuisjes, is sterker en lichter dan vergelijkbare vormen van aluminium. wetenschappers zeggen.

Het materiaal zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van veiliger, lichtere en duurzamere constructies voor gebruik in de ruimtevaart, auto, hernieuwbare energiebronnen en maritieme industrieën.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Materialen &Ontwerp , een team onder leiding van ingenieurs van de Universiteit van Glasgow beschrijft hoe ze een nieuw cellulair metamateriaal met plaatrooster hebben ontwikkeld dat een indrukwekkende weerstand tegen schokken kan bieden.

Metamaterialen zijn een klasse van kunstmatig gecreëerde cellulaire vaste stoffen, ontworpen en ontwikkeld om eigenschappen te manifesteren die niet voorkomen in de natuurlijke wereld.

Een vorm van metamaterialen, bekend als plaatroosters, zijn kubische structuren gemaakt van elkaar kruisende lagen platen die een ongewoon hoge stijfheid en sterkte vertonen, ondanks dat er een aanzienlijke hoeveelheid ruimte tussen de platen is. Die ruimtes, wat een eigenschap is die ingenieurs porositeit noemen, maakt ook plaatroosters ongewoon lichtgewicht.

De onderzoekers wilden onderzoeken of nieuwe vormen van plaatroosterontwerp, vervaardigd uit een door hen ontwikkelde kunststof-nanobuiscomposiet, zou een metamateriaal kunnen maken met nog geavanceerdere eigenschappen van stijfheid, sterkte en taaiheid.

Hun composiet maakt gebruik van mengsels van polypropyleen en polyethyleen - goedkope, herbruikbare kunststoffen die veel worden gebruikt in alledaagse voorwerpen zoals plastic zakken en flessen, en meerwandige koolstofnanobuizen, kleine filamenten opgebouwd uit koolstofatomen.

Ze gebruikten hun nano-engineered filamentcomposiet als grondstof in een 3D-printer die de filamenten samensmolt om een ​​reeks plaatroosterontwerpen te bouwen. Die ontwerpen werden vervolgens onderworpen aan een reeks impacttests door een massa van 16,7 kg van verschillende hoogtes te laten vallen om te bepalen of ze bestand zijn tegen fysieke schokken.

Eerst, het team testte drie soorten typische plaatroosters die ze ontwierpen en bouwden - een eenvoudige kubus gevormd uit de kruising van drie platen, een complexere kubus met extra kruisende platen, en een veelzijdiger ontwerp. Die typische plaatroosters werden in twee batches gemaakt:een van polypropyleen en een van polyethyleen.

Vervolgens, ze testten nog drie 'hybride' plaatroosters die kenmerken van de eenvoudigere ontwerpen in de eerste experimenten bevatten - een eenvoudige kubus / complexe kubushybride, een eenvoudige kubus/multifacet-hybride en een die alle drie samenvoegde. Opnieuw, batches gemaakt van polypropyleen en polyethyleen werden gemaakt.

Het hybride ontwerp dat elementen van alle drie de typische plaatroosterontwerpen samenvoegde, bleek het meest effectief te zijn bij het absorberen van schokken, met de polypropyleen versie met de grootste slagvastheid. Met behulp van een maatregel die bekend staat als specifieke energieabsorptie, die wetenschappers gebruiken om het vermogen van een materiaal te bepalen om energie te absorberen ten opzichte van zijn massa, het team ontdekte dat het polypropyleen hybride plaatrooster 19,9 joule per gram kon weerstaan ​​- een superieure prestatie ten opzichte van vergelijkbaar ontworpen micro-architected metamaterialen op basis van aluminium.

Dr. Shanmugam Kumar, Lezer in composieten en additieve productie aan de James Watt School of Engineering, leidde het onderzoeksproject. Het onderzoeksteam omvatte ook mechanische en chemische ingenieurs van de Khalifa University in Abu Dhabi en de Texas A&M University op College Station in de VS.

Dr. Kumar zei:"Dit werk bevindt zich precies op het snijvlak van mechanica en materialen. De balans tussen de door koolstof nanostructuur ontworpen filamenten die we hebben ontwikkeld als grondstof voor 3D-printen, en de hybride composietplaat-roosterontwerpen die we hebben gemaakt, heeft een heel spannend resultaat opgeleverd. Bij het nastreven van lichtgewicht techniek, er is een constante jacht op ultralichte materialen met hoge prestaties. Onze nano-engineered hybride plaatroosters bereiken buitengewone stijfheid en sterkte-eigenschappen en vertonen superieure energieabsorptie-eigenschappen ten opzichte van vergelijkbare roosters gebouwd met aluminium.

"Vooruitgang in 3D-printen maakt het gemakkelijker en goedkoper dan ooit om het soort gecompliceerde geometrieën met op maat gemaakte porositeit te fabriceren die ten grondslag liggen aan ons plaatroosterontwerp. Het vervaardigen van dit soort ontwerp op industriële schaal wordt een reële mogelijkheid.

"Een toepassing voor dit nieuwe soort plaatrooster zou kunnen zijn in de autofabricage, waar ontwerpers er voortdurend naar streven om lichtere carrosserieën te bouwen zonder de veiligheid tijdens crashes op te offeren. Aluminium wordt gebruikt in veel moderne auto-ontwerpen, maar ons plaatrooster biedt een grotere slagvastheid, wat het in de toekomst nuttig zou kunnen maken voor dat soort toepassingen.

"De recycleerbaarheid van de kunststoffen die we in deze plaatroosters gebruiken, maakt ze ook aantrekkelijk terwijl we op weg zijn naar een wereld zonder nul. waar circulaire economische modellen centraal zullen staan ​​om de planeet duurzamer te maken."

De krant van het team, getiteld "Impactgedrag van nanoengineered, 3D-geprinte plaatroosters, " is gepubliceerd in Materialen &Ontwerp .