Die Herstellung einer bio-inspirierten flexiblen Panzerung mit 3D-Druck

Die Natur hat einen Weg, Strukturen zu gestalten, der oft optimal ist. Aus diesem Grund entwickeln eine Reihe von Forscherteams auf der ganzen Welt bio-inspirierte Designs. Am Virginia Polytechnic Institute and State University untersucht die Forschung unter Leitung von Ling Li, wie man eine Panzerung herstellen kann, die stark und dennoch flexibel ist, ähnlich wie die Schale einer Muschel. Typischerweise beruhen künstliche Panzerungen oft auf starren mechanischen Strukturen, die ihre Beweglichkeit wenig überraschend stark einschränken. Mit Hilfe von 3D-Drucktechnologien konnten die Forscher die Schuppenpanzer der Spezies untersuchen, um ein synthetisches, flexibles Schuppenpanzer-Analog herzustellen.

Die Forscher untersuchten speziell Chitons. Diese Spezies besitzt hunderte von kleinen, mineralisierten Schuppen, die auf dem weichen Gürtel, der ihre überlappenden Schalenplatten umgibt, angeordnet sind. Professor Ling Li erklärt: „Die meisten Mollusken haben eine einzige starre Schale, wie die Abalone, oder zwei Schalen, wie die Muschel. Aber das Chiton hat acht mineralisierte Platten, die die Oberseite der Kreatur bedecken, und um die Basis herum hat es einen Gürtel aus sehr kleinen Schuppen, die wie Fischschuppen zusammengesetzt sind und sowohl Flexibilität als auch Schutz bieten. Das Studium der Panzerung der Chitons bedeutete die Verwendung von parametrischer Computermodellierung und Multimaterial-3D-Druck.“

Für die bioinspirierte flexible Panzerung untersuchten die Forscher die Chitonplatten – Quelle Virginia Tech

Dies ist nicht die erste Anwendung, bei der der 3D-Druck für die Biomimetik von Vorteil ist. Da die Technologie eine neue Stufe der Designfreiheit ermöglicht, können Designs erreicht werden, die mit herkömmlichen Methoden einfach nicht möglich waren. In diesem Fall entwickelte das Team eine parametrische 3D-Modellierungsmethode, um die Geometrie einzelner Skalen nachzuahmen.

Nachdem sie die Geometrie nachgeahmt hatten, bauten sie individuelle Maßstabs-Einheiten auf entweder flachen oder gekrümmten Substraten zusammen, wobei die Größen, Ausrichtungen und Geometrien der Maßstäbe variiert wurden. Die bio-inspirierten maßstabsgetreuen Panzermodelle wurden mit Hilfe von 3D-Drucken hergestellt. Professor Li fügt hinzu: „Wir haben dies sehr detailliert untersucht. Wir haben die interne Mikrostruktur, die chemische Zusammensetzung, die nanomechanischen Eigenschaften und die dreidimensionale Geometrie quantifiziert. Wir untersuchten die geometrischen Variationen der Skalen über mehrere Chitonarten hinweg und wir untersuchten auch, wie sich die Skalen durch eine 3D-Tomographie-Analyse zusammensetzen.“

Wenn die Panzerung mit einer Kraft in Berührung kommt, laufen die Schuppen nach innen aufeinander zu und bilden eine feste Barriere – Quelle: Virginia Tech

Die Ergebnisse zeigten, dass die Steifigkeit von der Anordnung der Skalen herrührt. Wenn die Panzerung mit einer Kraft in Berührung kommt, laufen die Schuppen nach innen aufeinander zu und bilden eine feste Barriere. Dennoch konnten sich die Schuppen, wenn keine Kraft aufgebracht wurde, übereinander bewegen, so dass je nach Form und Platzierung unterschiedlich viel Flexibilität gegeben ist.

Man könnte sich fragen, was die wirklichen Anwendungen einer solchen Forschung sind. Die Forscher erklärten, dass man sich völlig neue Produkte vorstellen könnte, z.B. könnten 3D-gedruckte Schutzausrüstungen wie Knieschoner eine neue Stufe der Schutzflexibilität bieten. Weitere Details finden Sie in der Studie, die in Nature Communications HIER veröffentlicht wurde.

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