Tiefsee-Schwamm inspiriert superstarke Gitterstruktur für das Ingenieurwesen

Ein Team von Ingenieuren des RMIT Centre for Innovative Structures and Materials nutzte Biomimikry, um eine superstarke Gitterstruktur zu entwickeln, die im Vergleich zu herkömmlichen, wabenbasierten Optionen eine verbesserte Leistung bietet.

Inspiriert vom Tiefsee‑Schwamm, dem Venusblumenkorb, nutzt das Design Millionen von Jahren Evolution, um Auxetizität, Steifigkeit und Energieabsorption zu optimieren. So könnte diese ultra‑starke Gitterstruktur der Schlüssel sein, um die nächste Generation von Gebäuden, medizinischen Verfahren und vieles mehr zu ermöglichen.

Verständnis von auxetischen Materialien

Um die Bedeutung dieser Entwicklung zu erfassen, ist es wichtig, die entscheidende Rolle zu verstehen, die auxetische Materialien sowohl in natürlichen als auch in künstlichen Anwendungen spielen. Diese Materialien unterscheiden sich von herkömmlichen Gegenständen, die bei Druck zusammengequetscht oder bei Zug gedehnt werden.
Stattdessen zeigen auxetische Materialien bei Druck eine seitliche Kontraktion. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, Aufprallenergie effektiv zu absorbieren und zu verteilen. Bemerkenswerterweise gibt es natürliche Formen auxetischer Materialien, wie etwa Sehnen, und künstliche Beispiele, wie Herzstents, die sich an den Gefäßdruck anpassen müssen.

Die Evolution auxetischer Designs

Im Laufe der Jahre wurde viel F&U in die Entwicklung der effektivsten auxetischen Materialien investiert. Zu den aktuellen Designs gehören chirale Strukturen, sternförmige Waben, rotierende starre Körperstrukturen, Mehrmaterial‑Auxetika und re‑entrant Waben. Von diesen Optionen sind re‑entrante hexagonale Waben die prominentesten.

Die re‑entrante hexagonale Wabe: Ein traditioneller Ansatz

Das Design der re‑entranten hexagonalen Wabe wurde von den Waben in Bienenstöcken inspiriert. Es wurde 1982 entwickelt und verfügt über diagonale Rippen, die sich bei Druck nach innen verschieben und das Design versteifen.

Seitdem wurde das Design mit zusätzlichen Streben verbessert, um die Leistung zu steigern. Dennoch gibt es nach wie vor zahlreiche Nachteile des Wabenlayouts hinsichtlich Flexibilität, Produktionskosten und Gesamteffizienz.

Fortschritt bei Gitterstrukturen: Die BLS-Studie

Angesichts der Einschränkungen in diesem aufstrebenden Feld entwickelte ein Forscherteam der RMIT University ein proprietäres auxetisches Design, das seine Vorgänger in allen Bereichen übertreffen kann. Der Bericht „Auxetisches Verhalten und Energieabsorptionscharakteristika einer von Tiefsee‑Schwamm inspirierten Gitterstruktur“¹, veröffentlicht in Composite Structures, hebt hervor, dass das neue Design von der Skelettstruktur eines Tiefschwammes inspiriert ist und in der Lage ist, re‑entrante hexagonale Waben um das 13‑fache zu übertreffen.

Der Venusblumenkorb: Natürliche Blaupause

Der Tiefsee‑Schwamm Euplectella Aspergillum, allgemein als Venusblumenkorb bezeichnet, besitzt eine der langlebigsten und einzigartigsten Skelettstrukturen der Natur. Der Schwamm weist ein rasterähnliches Skelett aus glasigen Elementen, den sogenannten Spikulen, auf, die ein quadratisches Gitter bilden.

Das Gitter wird durch doppelte Gitterstreben verstärkt, die der Struktur ein Schachbrett‑Aussehen mit abwechselnd gefüllten Quadraten verleihen. Diese offenen und geschlossenen Zellen verleihen dem Tier einzigartige mechanische Eigenschaften, darunter unvergleichliche Steifigkeit und hochleistungsfähige Energieabsorption.

Erstellung eines 3D‑Modells der bioinspirierten Gitterstruktur

Die Ingenieure erstellten ein 3D‑Modell, um ihre Entdeckungen zu demonstrieren und ihre Theorien zu testen. Ihre 3D‑kubisch‑zentrierte Gitterstruktur wurde aus thermoplastischem Polyurethan gedruckt. Sie umfasste neun quadratische Zellen, angeordnet in einem 3 × 3‑Gitter. Das Team stellte fest, dass jede Gitterstruktur für sich allein ein Verformungsverhalten zeigte. Kombiniert jedoch zeigte das Material auxetische Eigenschaften.

Computational Simulations: Verfeinerung des BLS-Designs

Der nächste Schritt bestand darin, die Daten aus den Tests zu nutzen, um Computersimulationen zu erstellen. Dieser Ansatz ermöglicht es den Ingenieuren, ihre Testgeschwindigkeit zu erhöhen und exotischere Formen und Designs in mehr Tests zu prüfen. Sie nutzten Simulationen, um den Einfluss geometrischer Variationen zu bewerten.
Die Daten jedes Materials, einschließlich seines auxetischen Verhaltens, seiner Steifigkeit und seiner Energieabsorptionsfähigkeiten, wurden dokumentiert. Zusätzlich prüfte das Team den Einfluss struktureller Parameter wie Anordnung und Dicke der nicht‑diagonalen und doppel‑diagonalen Stäbe. Anschließend optimierte das Team den Abstand zwischen den doppel‑diagonalen Stäben, um die optimale Leistung zu erreichen.

Testen des BLS: Experimentelle Verifizierung

Die Forscher testeten ihr neues Gitterdesign auf verschiedene Weise. Konkret wurde ein Shimadzu AGS-50kNXD Universaltester eingesetzt, um quasistatische einaxiale Drucktests an den 3D‑gedruckten BLS‑0‑ und CAS‑Einheiten durchzuführen. Die Ingenieure dokumentierten systematisch alle wesentlichen Aspekte des Materials, einschließlich auxetischem Verhalten, Steifigkeit und Energieabsorptions‑Eigenschaften.

Beeindruckende Testergebnisse

Die Tests lieferten beeindruckende Ergebnisse. Laut den Ingenieuren übertraf das BLS die re‑entranten hexagonalen Optionen in allen Bereichen. Beim Druck übertraf es das ursprüngliche Design um 13 %. Zudem absorbierte es 10 % mehr Energie über einen um 60 % größeren Dehnungsbereich.
Das BLS zeigte fast die doppelte Steifigkeit herkömmlicher Rohrdesigns. Außerdem war es dreimal stärker und wies viermal mehr Robustheit im Vergleich zu seinen re‑entranten Waben‑Vorgängern auf. Diese verbesserte mechanische Leistung resultiert aus einem leichteren Design, das wesentlich weniger Material als Alternativen verwendet.

Wesentliche Vorteile der bioinspirierten Gitterstruktur

Es gibt zahlreiche Vorteile, die die BLS-Entdeckung bemerkenswert machen. Erstens bietet sie Ingenieuren ein neues Niveau an Druckfestigkeit und Steifigkeit, das die Herstellung langlebigerer Produkte ermöglicht. Von Häusern bis zu Autos könnte dieses leichtere Design die Robustheit vieler alltäglicher Gegenstände erhöhen, ebenso wie bei einigen der heute hochentwickelten Projekte.

Die Rolle des 3D‑Drucks bei der BLS-Herstellung

Ein weiterer großer Vorteil dieses Designs ist, dass es 3D‑gedruckt werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, das Layout an nahezu jede Anforderungs­situation anzupassen. Zudem bietet er die Möglichkeit, mit anderen Materialien in einer kontrollierten und leicht integrierbaren Weise zu experimentieren, was weitere Innovationen fördert.

Potenzielle reale Anwendungsbereiche des BLS

Dieses bioinspirierte Material könnte zur Entwicklung stärkerer, robusterer Strukturen in Branchen wie Luft‑ und Raumfahrt, Automobilindustrie und Bauwesen führen. All diese Sektoren suchen ständig nach Materialien, die leichter, einfacher zu verarbeiten und gleichzeitig stärker und steifer sind.
Jetzt möchte dieses Team innovativer Forscher eine neue Klasse auxetischer Materialien inspirieren, die überlegene mechanische Eigenschaften wie verbesserte Energieabsorption und strukturelle Steifigkeit bieten.

Ingenieurtechnische Anwendungen: Was kommt als Nächstes?

Viele Analysten prognostizieren, dass Anwendungen in den nächsten 5 bis 10 Jahren entstehen könnten, vorausgesetzt weitere Forschung und Entwicklung. Hier sind einige der potenziellen Anwendungsbereiche dieser Technologie.

Construction

Laut Ingenieuren wird der Bausektor ihr Hauptfokus sein. Bau‑ und Konstruktionsmaterialien sind teuer, wobei die Preise in den letzten Jahren stark gestiegen sind. Diese Entwicklung könnte den Sektor auf vielfältige Weise revolutionieren.

Erstens würde es Bauherren ermöglichen, stärkere Strukturen zu schaffen, die weniger Material verbrauchen. Stellen Sie sich vor, dieses Gitter ersetze das Stahlgerüst Ihres Hauses oder die Balken in einem Gebäude. Das offene und geschlossene Schachbrett‑Layout und das Material bieten auxetisches Verhalten bei Druck durch eine leichte Struktur.

Zusätzlich könnten Architekten und Ingenieure Gebäude entwerfen, die widerstandsfähiger sind. Stellen Sie sich einen Wolkenkratzer vor, der so konzipiert ist, dass er Vibrationen bei Erdbeben reduziert oder sich bei Winddruck auf bestimmte Weise versteift. Auf diese Weise könnte BLS die Fähigkeiten des strukturellen Ingenieurwesens auf dem Markt verbessern.

Protective Equipment

Ein weiteres Interessensgebiet für BLS ist die Schutzbekleidungsindustrie. Dieses Material macht selbsttragende Schutzausrüstung leichter und robuster. Das Gitterdesign stellt sicher, dass die leichte Ausrüstung selbst unter extremen Bedingungen und Aufprallbelastungen standhält, und eröffnet ein neues Sicherheitsniveau in vielen der heute gefährlichsten Sportarten.

Military

Für dieses Material gibt es mehrere militärische Anwendungen. Stellen Sie sich die nächste Generation leichter und ultradünner kugelsicherer Westen vor. Ingenieure könnten Gegenstände wie temporäre Brücken einfacher herstellen, wodurch sowohl Montage als auch Transport verbessert werden. Darüber hinaus könnte es bei der Entwicklung von Fahrzeugen der nächsten Generation und anderer Ausrüstungen, die erhöhte Steifigkeit erfordern, aber strenge Gewichtsgrenzen einhalten müssen, eine Rolle spielen.
Denken Sie an Drohnen, die weiter fliegen und mehr Schaden einstecken können, oder an Helme, die direkte Treffer von Hochkalibern ohne Zersplittern überstehen. All dies und mehr ist durch die Nutzung der BLS‑Technologie möglich.

Medical Applications

Der medizinische Bereich könnte diese Technologie nutzen, um verschiedene Verfahren zu verbessern. Beispielsweise müssen Implantate, die Arterien offen halten, unter extremem Druck anpassungsfähig sein und jahrelang ohne Verschleiß funktionieren. Das neue Gitterdesign bietet bei Bedarf mehr Haltbarkeit und Steifigkeit, verhindert das Verschließen der Arterien und rettet Leben.

Automotive

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, wie diese Technologie Ihr nächstes Fahrzeug sicherer und effizienter machen kann. Erstens könnte das aktualisierte Rohrdesign den derzeit von vielen Herstellern verwendeten Stahlrahmen ersetzen. Dieses neue Design würde die Herstellungskosten senken und Stärke sowie Haltbarkeit verbessern.
Zusätzlich könnte diese Technologie eingesetzt werden, um Ihre Fahrt deutlich geschmeidiger zu machen. Stellen Sie sich Stoßdämpfer und andere vibrationsdämpfende Strukturen vor, die aus diesen Materialien gefertigt sind. Diese Designs könnten mehr Komfort bieten, ohne das Gesamtgewicht Ihres nächsten Elektrofahrzeugs zu erhöhen.

Bio-inspirierte Gitterstruktur (BLS) Forscher

Das RMIT Centre for Innovative Structures and Materials leitete die Studie, an der Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie und Ngoc San Ha als Forscher beteiligt waren. Nun plant dieses Team, die Verwendung anderer Materialien wie Stahl zu untersuchen, um ihre Kreation zu testen.
Das Team hat zudem Interesse bekundet, eine Kombination von Materialien basierend auf deren einzigartigen Eigenschaften zu nutzen, um die Leistung weiter zu verbessern. Diese Experimente werden das Herstellen von Balken und Quadraten aus unterschiedlichen, interagierenden Materialien umfassen.

Investitionen in den Materialwissenschaftssektor

Der Materialwissenschaftssektor verfügt über mehrere führende Hersteller, die die Technologie kontinuierlich vorantreiben. Diese neueste Entwicklung zeigt das Tempo, mit dem Innovationen auf dem Markt stattfinden. Hier ist ein innovatives Unternehmen, das gut positioniert ist, um Durchbrüche in der Materialwissenschaft zu integrieren und damit seine Renditen und Produktpalette zu verbessern.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) wurde 1948 gegründet und hat seinen Sitz in Connecticut. Dieser US‑basierte Hersteller ist auf wabenbasierte Materialien spezialisiert. Seit seiner Gründung hat Hexcel großen Erfolg verzeichnet.
Interessanterweise war einer der ersten großen Regierungsaufträge des Unternehmens die Entwicklung moderner Wabenmaterialien für Radardome in Militärflugzeugen während des Zweiten Weltkriegs. Nach Kriegsende erwarb das Unternehmen California Reinforced Plastics und Ciba Composites.
1995 erwarb es die Hercules Composites Products Division. Heute gilt es als führender Innovator im Bereich fortschrittlicher Verbundwerkstoffe für Luft‑ und Raumfahrt sowie industrielle Anwendungen. Das Unternehmen war berühmt dafür, das Wiedereintrittsfahrzeug der Apollo‑11‑Mission im Jahr 1968 mitzugestalten und zu fertigen.

Hexcel besitzt mehrere Patente auf seine Forschung und investiert weiterhin in die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation, die die strukturelle Integrität verbessern, das Gewicht reduzieren und einfachere Fertigungsoptionen bieten.
Derzeit hat Hexcel 5.894 Mitarbeitende und verzeichnete 2024 einen Umsatz von 1,90 Mrd. $. Die Aktie wird von den meisten Analysten als starkes „Kaufen“ eingestuft, da das Unternehmen weiterhin Regierungsaufträge und Unterstützung für Technologien der nächsten Generation sichert. Diese Faktoren, zusammen mit der Geschichte und Positionierung des Unternehmens, machen HXL zu einer klugen Ergänzung jedes Portfolios.

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Die Zukunft bioinspirierter Gitterstrukturen

Wenn man den Nutzen betrachtet, den bioinspirierte Gitterstrukturen dem Markt bringen, wird schnell klar, dass sie eines Tages eine entscheidende Rolle dabei spielen werden, Elektronik leichter, Schutzausrüstung sicherer und Ihr zukünftiges Fahrzeug robuster zu machen.

Zusätzlich wird der Fortschritt im 3D‑Druck es Ingenieuren noch leichter machen, ultra‑leistungsfähige auxetische Strukturen und Materialien zu modellieren und zu erstellen. Für den Moment verdient dieses Team Anerkennung dafür, dass es Aufschluss darüber gibt, wie auxetische Materialien funktionieren und wie die Evolution ihr Design verbessert hat.

Erfahren Sie jetzt mehr über weitere Durchbrüche in der Materialwissenschaft.

Studienreferenzen:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Auxetisches Verhalten und Energieabsorptionscharakteristika einer Gitterstruktur. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}