Vooruitgang in materiaaltechniek heeft geleid tot de ontwikkeling van lichtgewicht constructies die zowel sterk als stijf zijn, die de ruimtevaart transformeren, auto- en medische industrie. Conventionele productietechnieken zoals gieten en machinaal bewerken, echter, beperk de ontwerpen die kunnen worden gefabriceerd, omdat ze gevoelig zijn voor onnauwkeurigheden en moeite hebben om de beste resultaten te bereiken.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van A*STAR hebben een methode uitgevonden die additieve fabricagetechnieken gebruikt om lichtgewicht roosterstructuren te creëren met sterk verbeterde stijfheid en sterkte1, de weg vrijmaken voor nieuwe materialen voor gebruik in een breed scala aan toepassingen, waaronder schokabsorberende materialen en sandwichstructuren.

Het ontwerp en de optimalisatie van lichtgewicht cellulaire en roosterstructuren is een opkomend gebied dat mogelijk wordt gemaakt door vooruitgang in de productie van additieven voor metalen en polymeren, zoals de mogelijkheid om zeer complexe geometrieën nauwkeurig af te drukken.

Door structuren na te bootsen die in de natuur voorkomen, Stephen Daynes en collega's van A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology hebben in samenwerking met onderzoekers van de National University of Singapore een methode ontwikkeld om deze nieuwe robuuste materialen te maken.

"Latticestructuren overtreffen de structurele prestaties van conventionele vaste materialen voor gebruik in lichtgewicht sandwichkernen, medische implantaten en een nieuwe klasse van roosterachtige metamaterialen met specifieke mechanische en thermische eigenschappen, " legt Daynes uit. "Met behulp van een nieuwe biomimetische methode, we waren in staat om cellulaire en roosterstructuren te creëren die vergelijkbaar zijn met die in bamboe en menselijke botten."

De onderzoekers bepaalden de belangrijkste spanningslijnen, isostatische lijnen genoemd, in het rooster met behulp van een methode die topologie en grootte-optimalisatie combineert. Deze benadering maakt het mogelijk de grootte, vorm en oriëntatie van elke cel in de aan te passen structuur, aanzienlijk verminderen van de stress tussen aangrenzende roostercellen.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van hun gegradeerde roosterstructuur met een uniforme roosterkern en ontdekten dat hun geoptimaliseerde ontwerp de stijfheid met 172 procent en de sterkte met 100 procent had verhoogd.

"Onze techniek kan lichtgewicht, functioneel gegradeerde roosters die de stijfheid en sterkte van additief vervaardigde sandwichstructuren aanzienlijk verbeteren zonder hun massa te vergroten, ", zegt Daynes. "Deze structuren zijn bijzonder goed geschikt voor additieve productieprocessen, omdat ze grotendeels niet worden beperkt door de complexiteit van de productie."

"We zijn van plan de methodologie toe te passen op driedimensionale spanningsvelden, waar het gebruik van ruimtelijk gesorteerde roosters kan leiden tot nieuwe en meer gewichtsefficiënte materialen, ' zegt Daynes.