Additive Fertigung
3D‑gedruckte Metamaterialien könnten die Sicherheit von Autos neu definieren
Metallische Designs erstellen
Metallurgie ist eine Technologie, die sich seit dem primitiven Metallhandwerk der frühen Zivilisation ständig weiterentwickelt. Bis vor kurzem war die meisten Metallbearbeitung noch auf Techniken wie Gießen (Schmelzen von Metall zu hohlen Formen) oder Schmieden (Hämmern des Metalls in Form) angewiesen.
Das Aufkommen der 3D‑Drucktechnologie, die metallische Werkstoffe verarbeiten kann, hat eine völlig neue Methode zur Herstellung von Metallkomponenten hinzugefügt, und wir stehen erst am Anfang, ihr Potenzial zu realisieren.
Zum Beispiel neue Titanlegierungen, wasserstoffinfundierter 3D‑Druck oder geometrischer Druck, der Vibrationen absorbiert.
Forscher der University of Glasgow (UK), der Polytechnischen Universität von Marken (Italien) und des Nationalen Instituts für Kernphysik (Italien) haben nun einen neuen Typ von verdrehten Metamaterialien entwickelt, die mithilfe von 3D‑Druck die Art und Weise, wie Stoßdämpfer in Autos gebaut werden, ersetzen könnten.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Advanced Materials1, unter dem Titel Adaptive Twisting Metamaterials.
Integrierte Stoßabsorption
Als Autos erstmals gebaut wurden, hatten sie fast keinen Schutz vor Unfällen. Dann boten frühe Aufprallabsorber wie Crash‑Boxen und Stoßfänger eine einheitliche Kraft‑Weg‑Reaktion für alle bei Fahrzeugkollisionen auftretenden Unfallszenarien.
Moderne Autos sind so konstruiert, dass ihr Rahmen im Falle eines Unfalls den größten Teil der kinetischen Energie speziell absorbiert und so die an die Insassen übertragene Energiemenge begrenzt.
„Der wachsende Bedarf, immer strengere und oft widersprüchliche Sicherheitsstandards einzuhalten, hat den Fokus auf die strukturelle Optimierung von Opfekomponenten verlagert und die Philosophie des mechanischen Designs vorangetrieben.“
Zusammen mit der weit verbreiteten Einführung von Sicherheitsgurten war diese Innovation ein wichtiger Treiber für die Reduzierung von Todesfällen bei Autounfällen in den vergangenen Jahrzehnten.
Quelle: Haug Farrar
Dies wurde hauptsächlich durch die Modifizierung der Strukturgeometrie oder die Integration verschiedener Materialien in bewährte Energieabsorber erreicht, um die Energieabsorption zu verbessern.
Dennoch bleibt die Energieabsorption meist konstant, unabhängig vom Szenario (z. B. Aufprall mit einem Fußgänger oder einer Wand), da die Kraft‑Weg‑Reaktion unverändert bleibt.
Kompression‑Torsions‑Kopplungs‑Mechanische (CTCM) Metamaterialien
Eine vielversprechende Alternative zu den aktuellen Methoden zur Stoßabsorption sind CTCM‑Metamaterialien (Compression–Torsion Coupling Mechanical).
Sie sind so konzipiert, dass sie Druck um die Achse des Materials in eine Torsionsbewegung umwandeln, in einer schraubenähnlichen Bewegung, die die Aufprallenergie absorbiert.
Damit liegen CTCM‑Metamaterialien einen Schritt vor einfachen Metallgittern, die lediglich unter Druck komprimiert werden.
Diese Materialien nutzen das volle Potenzial der 3D‑Druckfertigung, um extrem komplexe Formen und Strukturen zu erzeugen, die mit keiner anderen Methode herstellbar wären.
Quelle: Advanced Materials
Kraftabhängige Reaktionen
Frühere stoßabsorbierende Materialien würden im Wesentlichen entweder biegen oder nicht. Um größere Stöße zu bewältigen, mussten sie oft kleinere Stöße widerstehen.
„Die heute in den meisten Fahrzeugen verwendeten Schutzmaterialien sind statisch, für spezifische Aufprallszenarien ausgelegt und können sich nicht an wechselnde Bedingungen anpassen.“
Stattdessen können die komplexen Formen der STCM‑Metamaterialien fein auf spezifische Anforderungen abgestimmt werden.
Die Forscher entwickelten eine Form, die bereits bei einem kleinen Aufprall viel Energie absorbieren kann, aber später dennoch Schutz gegen Hochgeschwindigkeits‑/Hochenergie‑Aufprälle bietet.
„Nach dem ersten Zerstörungsband (d. h. dem anfänglichen Kollapsstress) ermöglichte die Duktilität des Gyroid‑Blatt‑Materials eine stabile Druckreaktion ohne katastrophalen Versagen.“
Quelle: Advanced Materials
Damit wären STCM‑Metamaterialien den derzeitigen konventionellen Schäumen oder Verformungszonen überlegen, da sie bei schweren Kollisionen einen steiferen Widerstand und bei leichteren Aufprällen eine weichere Dämpfung bieten würden.
Quelle: Advanced Materials
Neue Stoßdämpfer erstellen
Dieses Ergebnis wurde erzielt, indem eine komplexe, hochporöse Form, bekannt als Gyroid‑Gitter, erstellt wurde. Anschließend verglichen sie die tatsächlich mit 3D‑Druck hergestellten Teile, die mittels CT‑Scan analysiert wurden, mit dem CAD‑Computermodell.
Quelle: Advanced Materials
Obwohl das reale Material in gewissem Maße vom CAD‑Modell abwich, da sich das Metall in einigen Bereichen stärker ansammelte (11,8 % höhere Dichte), wurde die tatsächliche Stoßfestigkeit korrekt vorhergesagt.
„Wenn wir Kompression anwenden, übersetzt das Gyroid‑Gitter diese in eine Verdrehung, und durch Änderung der Randbedingungen können wir die Energieabsorptionscharakteristik anpassen.“
„Diese Materialien können sich anpassen und ihre eigenen Eigenschaften je nach Art und Schwere des Aufpralls ändern, um die Auswirkungen zu mildern.“
Anwendungen
Derzeit ist der Metall‑3D‑Druck hauptsächlich auf Branchen wie die Luft- und Raumfahrt beschränkt, aufgrund der anfänglich hohen Kosten für Metall‑3D‑Drucker. Dies ändert sich schnell, da die Technologie nun reift und die Produktion skaliert.
„Wir glauben, dass das Material in Zukunft sowohl in der Automobil- als auch in der Luft- und Raumfahrtsicherheit Anwendung finden könnte und eine neue Materialklasse darstellt, die sich nach Bedarf an unterschiedliche Anforderungen anpassen kann.
Es könnte zudem die Entwicklung neuartiger Formen der Energiegewinnung unterstützen, indem es Aufprälle in Rotationskinetische Energie umwandelt.“
Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow
In einigen Jahren könnten wir eine neue Klasse adaptiver Materialien gegen Unfälle sehen, mit einstellbarer Energieabsorption, Kollapsstress und Steifigkeit, die über verdrehte Gyroid‑Strukturen gesteuert werden.
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| Merkmal | Konventionelle Absorber | CTCM‑Metamaterialien |
|---|---|---|
| Reaktionstyp | Feste Kraft‑Weg‑Reaktion | Adaptiv, einstellbare Kompression‑Torsion |
| Materialzusammensetzung | Schäume, Wabenkörper, Metallbleche | 3D‑gedruckte Gyroid‑Gitter |
| Effizienz der Energieabsorption | Mittel, konstant | Hoch, variabel je nach Aufprall |
| Herstellungsmethode | Gießen oder Schmieden | Additive Fertigung |
| Potenzielle Anwendungen | Stoßfänger, Crash‑Boxen | Adaptive Crash‑Schutz, Luft‑ und Raumfahrt‑Paneele |
Zunächst werden die Anwendungen wahrscheinlich auf Bahn-, Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Verteidigungsbereiche beschränkt sein, bevor sie in den breiteren Automobilsektor vordringen, von Luxusmodellen bis zu Basismodellen.
Investitionen in den 3D‑Druck
Nano Dimension
Nano Dimension konzentrierte sich zunächst auf 3D‑gedruckte Elektronik. Dazu gehören sehr spezialisierte Technologien wie leitfähige oder dielektrische Tinten & Keramiken. Diese können beispielsweise zum Bau von optischen oder Funkkomponenten verwendet werden.
Dies ist eine der möglichen Anwendungen des 3D‑Drucks im Nanomaßstab, die wir weiter in „Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization“ untersucht haben.
(NNDM )
Bemerkenswerterweise ist Nano Dimension durch eine Mischung aus Akquisitionen und interner F&E gewachsen. Diese Strategie erreichte einen neuen Höhepunkt mit der Übernahme von Desktop Metal im Jahr 2024.
Gemeinsam werden die beiden Unternehmen eine deutlich stärkere Position im Metall‑ und Keramik‑3D‑Druck in allen Maßstäben haben, von Elektronik bis zu großen Industrieanlagen und der Luft‑ und Raumfahrt. Dies schafft zudem Skaleneffekte, indem die Kundenbasis, zu der SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronic usw. gehören, zusammengeführt wird.
Zuletzt waren die beiden Unternehmen hauptsächlich in unterschiedlichen geografischen Regionen aktiv, wobei Nano Dimension in Europa und Desktop Metal in den USA tätig ist, was Synergien durch die Zusammenlegung ihrer Vertriebsteams ermöglicht.
Das Unternehmen behauptet, den ökologischen Fußabdruck der Fertigung reduzieren zu können, mit einer Verringerung von 94 % bei CO₂‑Emissionen, 100 % beim Wasserverbrauch, 98 % bei Materialien und 82 % bei Chemikalien. Insgesamt hat dies Nano Dimension als einen der Technologieführer im 3D‑Druck positioniert.
Quelle: Nano Dimensions
Eine weitere unmittelbar anschließende Akquisition war die von Markforged für 115 Mio. $. Mit dem Fokus auf Verbund‑ und Metall‑Additivfertigungsgeräte stärkt die Übernahme von Markforged die Position von Nano Dimension im Metall‑3D‑Druckmarkt weiter.
„Das Besondere an dieser Fusion und das Besondere an Markforged und deren Technologiemenge ist, dass sie nicht mit unserer Technologie überlappen. Die Synergien liegen in den Anwendungen für ähnliche Unternehmen.“
Yoav Stern- Nano Dimension CEO
Das Unternehmen arbeitet ebenfalls durch Akquisitionen und interne Entwicklung daran, ein führender Anbieter von 3D‑Druck‑Software zu werden.
Investoren sollten jedoch beachten, dass die 3D‑Druck‑Branche insgesamt noch einen negativen Cashflow aufweist, sodass das Unternehmen Kosten senken oder ausreichend wachsen muss, um in Zukunft profitabel zu werden.
(Sie können auch unseren detaillierteren Investitionsbericht zu Nano Dimension für weitere Informationen lesen.)
Neueste Nano Dimension (NNDM) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studie referenziert:
1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. Adaptive Twisting Metamaterials. Advanced Materials. 22. Oktober 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202513714
