An der Rice University in Houston haben Forscher 3D-gedruckte Polymerwürfel hergestellt, die Kugeln standhalten. Ihr Geheimnis liegt in der Konstruktion dieser Würfel, die aus verschiedenen Gitterstrukturen bestehen und sie dadurch wesentlich widerstandsfähiger machen. Es ist diese Struktur, die es dem Würfel ermöglichen würde, dem Aufprall einer Kugel standzuhalten, die mit 5,8 km pro Sekunde aufprallt und so stark wie ein Diamant ist. Eine Anwendung, die einmal mehr die Relevanz des Designs for additive Manufacturing verdeutlicht: Die Konstruktionsschritte haben einen signifikanten Einfluss auf das 3D-Druckteil, in Bezug auf Gewicht, Festigkeit, etc.
Die Forscher benutzten Rohrformen, die der Chemiker Ray Baughman von der University of Texas in Dallas und der Physiker Douglas Galvão entwickelt hatten, um ihre Würfel zu drucken. Es handelt sich um komplexe theoretische mikroskopische Strukturen aus vernetzten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die eine sehr hohe Festigkeit aufweisen würden. Die Entwicklung der additiven Fertigung hat es ermöglicht, diese Formen nachzubilden: Amerikanische Wissenschaftler gingen von einem Tubulan-Modell aus, das sie vergrößert und mit einer speziellen Software überarbeitet und dann in 3D aus Polymer gedruckt haben.
Die Forscher ließen sich von Rohrformen inspirieren
Tubulan-inspirierte Würfel können dem Aufprall von Kugeln widerstehen
Verschiedene Tests wurden durchgeführt, um zu verstehen, ob tubulaninspirierte Strukturen einen Einfluss auf die Festigkeit eines Teils haben. Die Forscher erklären, dass sie zunächst einen herkömmlichen Polymerwürfel geschaffen haben: Er widersteht dem Aufprall des Geschosses nicht und wurde stark beschädigt. Sie druckten dann den Würfel in 3D, indem sie die Struktur der Kohlenstoff-Nanoröhrchen nachahmten: Laut dem Team ist er 10 mal widerstandsfähiger. Durch das Abfeuern einer Kugel mit 5,8 km pro Sekunde wurde sie bereits durch die zweite Polymerschicht gestoppt. Seyed Mohammad Sajadi, Hauptleiter der Forschung, ergänzt: „Die Kugel war in der zweiten Schicht der Struktur eingeschlossen, während sich im festen Block die Risse über die gesamte Struktur ausbreiteten. Tests in einer Laborpresse zeigten, wie das poröse Polymernetzwerk es ermöglichte, dass die Tubulanblöcke auf sich selbst zusammenprallen, ohne zu brechen.“
Das Team hatte angenommen, dass eine poröse Struktur die Bremskraft eines Objekts reduziert, aber in Wirklichkeit erkannten sie durch praktische Tests, dass die Gitterstruktur von Polymerwürfeln komprimiert und zusammengebrochen werden kann, um die kinetische Energie eines Aufpralls zu absorbieren und so Schäden zu kontrollieren. Eine Anwendung, die zeigt, wie kostengünstigere Polymere anstelle von Metall verwendet werden können, um langlebige Teile und Komponenten herzustellen. Wir denken an Sektoren wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Verteidigung. Weitere Informationen finden Sie auf der Website der Rice University HIER.
Bildquelle Titelbild: Jeff Fitlow / Rice University
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