3D-gedruckter Hybridschaumstoff absorbiert zehnmal mehr Energie

An der Texas A&M University wurde mithilfe von additiver Fertigung ein neuartiger Hochleistungsschaumstoff entwickelt. Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff, der zehnmal mehr Energie aufnehmen kann als herkömmlicher Schaumstoff. Dieser 3D-gedruckte Schaumstoff könnte im Verteidigungssektor eine wichtige Rolle spielen und Leben retten.

Eine der Herausforderungen bei der herkömmlichen Herstellung dieser Schaumstoffe ist die innere Struktur: Entweder kommen zufällige Muster zum Einsatz, die die Energieaufnahme begrenzen, oder es werden technisch anspruchsvollere Materialien und Gitterstrukturen verwendet, die teurer sind und sich nur schwer in großen Stückzahlen produzieren lassen. Letztlich bedeutet das einen Kompromiss zwischen Präzision und Kosten.

Das Forschungsteam integriert 3D-gedruckte Streben in den Schaumstoff

Schaumstoff und 3D-Druck: Wie funktioniert das Verfahren?

Dank des 3D-Drucks könnte sich dies jedoch ändern. Das Forschungsteam entwickelte eine Technik namens „In-Foam Additive Manufacturing“ (IFAM), mit der sich ein dreidimensionales Netzwerk aus Kunststoffstreben innerhalb eines Schaumstoffblocks erzeugen lässt. Die Kombination beider Materialien erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckbelastungen deutlich.

Betrachtet man die Funktionsweise des fertigen Blocks, übernimmt der Schaumstoff zunächst eine stützende Rolle. Mit zunehmender Belastung kommen dann die integrierten Streben ins Spiel: Sie leiten den entstehenden Druck nach außen ab. Das Ergebnis: Die Struktur kann mehr Energie aufnehmen und dadurch höheren Belastungen standhalten. Dr. Eric Wetzel, Leiter des Bereichs strategische additive Polymerfertigung am Army Research Laboratory, erklärt:

IFAM ist ein vergleichsweise einfaches, computergestütztes Fertigungsverfahren, mit dem wir ein elastomeres Gerüst direkt in einen herkömmlichen offenzelligen Schaumstoff integrieren können. Parameter wie Durchmesser, Abstand, Winkel und Elastizität des Materials lassen sich gezielt anpassen, sodass eine breite Palette unterschiedlicher Materialeigenschaften erreicht werden kann. IFAM vereint damit die Vorteile beider Ansätze und ermöglicht leistungsfähige, individuell anpassbare und zugleich kosteneffiziente Verbundmaterialien zur Energieabsorption.

Anwendungsbereiche dieses Hochleistungsschaumstoffs

Da das Projekt vom Militär finanziert wird, ist es wenig überraschend, dass dieser Hochleistungsschaumstoff vor allem für Verteidigungszwecke entwickelt wird. Denkbar ist etwa der Einsatz in Militärhelmen oder in explosionsresistenten Sitzpolstern. Das Material ist leichter und zugleich deutlich leistungsfähiger bei der Energie- und Stoßabsorption und eignet sich damit ideal für zahlreiche Anwendungen im Einsatzgebiet.

Der Schaumstoff könnte das Verletzungsrisiko verringern und im Ernstfall Leben retten. Darüber hinaus sind auch Anwendungen außerhalb des Militärs denkbar. Die Forschenden ziehen beispielsweise den Einsatz in Fahrrad- und Motorradhelmen sowie in Sportausrüstung in Betracht. Ebenso könnte der Schaumstoff die Stoßstangen von Autos verstärken und Insassen bei schweren Kollisionen besser schützen.

Die Struktur könnte zehnmal mehr Energie absorbieren.

Über die hohe Energieaufnahme hinaus könnte dieser Hybridschaumstoff auch Geräusche dämpfen und die allgemeine Akustik verbessern. Dr. Mohammad Naraghi, Professor an der Texas A&M University und Leiter der Studie, erklärt:

Die Eigenschaften des Schaumstoffs können wir gezielt anpassen, sodass er Schall besonders effizient absorbiert und bestimmte Frequenzen sowie Vibrationen deutlich dämpft oder sogar vollständig herausfiltert. Akustische Anwendungen stehen zwar noch am Anfang der Forschung, doch wir wollen dieses Potenzial weiter ausschöpfen und den Schaumstoff zu einem aktiven Schallfilter weiterentwickeln, der leistungsfähiger ist als die heute verfügbaren Materialien.

Darüber hinaus untersucht das Forschungsteam, wie sich Produkte dank additiver Fertigung individuell anpassen lassen. Denkbar wären maßgeschneiderte Polster, die sich an die Bedürfnisse und die Körperphysiologie einer Person anpassen. So könnten beispielsweise festere Bereiche den Nacken stabilisieren, während weichere Zonen die Beine entlasten. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig. Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier.

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*Bild: Abbey Toronjo/Texas A&M University Division of Marketing & Communications