3D‑tulostetut metamateriaalit voivat määritellä uudelleen auton turvallisuuden

Metallisuunnitelmien luominen

Metallurgia on teknologia, joka on jatkuvasti kehittynyt varhaisista metallityön alkeisista käsitöistä lähtien. Vielä äskettäin suurin osa metallintyöstöstä perustui tekniikoihin, kuten muottiin (sulatettavan metallin kaataminen ontoksi muodoksi) tai takomaan (metallin hakkaaminen muotoon).

3D‑tulostusteknologian, joka pystyy käsittelemään metallimateriaaleja, ilmaantuminen on tuonut kokonaan uuden tavan valmistaa metalliosia, ja olemme vasta alkutaipaleella sen potentiaalin toteuttamisessa.

Esimerkiksi uudet titaaniseokset, vetyä sisältävä 3D‑tulostus tai geometrinen tulostus, joka absorboi tärinää.

Tutkijat Glasgow’n yliopistosta (UK), Marcan polyteknillisesta yliopistosta (Italia) ja Italian kansallisesta ydinfysiikan instituutista (Italia) ovat nyt luoneet uudenlaisen kiertyvän metamateriaalin, joka voisi korvata autojen iskunvaimentimien rakenteen 3D‑tulostuksen avulla.

He julkaisevat tuloksensa Advanced Materials¹-lehdessä otsikolla “Adaptive Twisting Metamaterials”.

Sisäänrakennettu iskunvaimennus

Kun autoja rakennettiin ensimmäisen kerran, niissä oli lähes ei lainkaan suojaa onnettomuuksia vastaan. Sitten varhaiset iskunvaimentimet, kuten törmäyslaatikot ja puskurit, tarjosivat yhden voimansiirto‑purkausvasteen kaikille ajoneuvon törmäyksissä kohtaamille tilanteille.

Nykyautot on suunniteltu siten, että onnettomuustilanteessa niiden runko absorboi suurimman osan kineettisestä energiasta, rajoittaen energiaa, joka siirtyy matkustajille.

“Kasvava tarve täyttää yhä tiukemmat ja usein ristiriitaiset turvallisuusstandardit on siirtänyt huomion uhrikomponenttien rakenteelliseen optimointiin, edistäen mekaanisen suunnittelun filosofiaa.”

Yhdessä turvavöiden laajan käyttöönoton kanssa tämä innovaatio on ollut merkittävä tekijä auto-onnettomuuksien kuolleisuuden vähenemisessä viime vuosikymmeninä.

Lähde: Haug Farrar

Se on enimmäkseen saavutettu muokkaamalla rakenteen geometriaa tai yhdistämällä erilaisia materiaaleja todistettujen energian absorboijien sisään energian hajottamisen tehostamiseksi.

Silti energian absorptio pysyy yleensä vakiona riippumatta tilanteesta (esimerkiksi jalankulkijan tai seinän kanssa tapahtuvasta törmäyksestä), koska voimansiirto‑purkausvaste on kiinteä.

Compression–Torsion Coupling Mechanical (CTCM) Metamaterials

Lupaava vaihtoehto nykyisille iskunvaimennusmenetelmille ovat CTCM‑metamateriaalit (Compression–Torsion Coupling Mechanical).

Ne on suunniteltu muuntamaan materiaalin akselin ympärillä oleva paine kiertoliikkeeksi, ruuvin kaltaisessa liikkeessä, absorboiden iskun energian.

Tämä asettaa CTCM‑metamateriaalit askeleen eteenpäin yksinkertaisiin metalliverkkoihin verrattuna, jotka puristuvat vain paineen alla.

Nämä materiaalit hyödyntävät täysimääräisesti 3D‑tulostuksen valmistuskapasiteettia luodakseen äärimmäisen monimutkaisia muotoja ja rakenteita, joita ei voisi toteuttaa millään muulla menetelmällä.

Lähde: Advanced Materials

Voimasta riippuvat reaktiot

Aikaisemmat iskunvaimentavat materiaalit taipuisivat tai eivät taipuisivat lainkaan. Jotta ne pystyisivät käsittelemään suuria iskuja, niiden täytyi usein kestää myös pienempiä iskuja.

“Nykyautojen suurin osa käyttää staattisia suojamateriaaleja, jotka on suunniteltu tiettyihin iskutilanteisiin eikä ne pysty sopeutumaan muuttuviin olosuhteisiin.”

Professori Shanmugam Kumar – University of Glasgow

Sen sijaan STCM‑metamateriaalien monimutkaisia muotoja voidaan hienosäätää erityisiin vaatimuksiin.

Tutkijat suunnittelivat muodon, joka pystyy absorboimaan paljon energiaa pienestä iskun vaikutuksesta, mutta tarjoaa silti suojan korkean nopeuden/korkean energian iskuja vastaan myöhemmin.

Ensimmäisen puristavan vyön (eli alkuperäisen romahdusjännityksen) jälkeen gyroidi‑levymateriaalin sitkeys mahdollisti vakaan puristusvasteen ilman katastrofaalista rikkoutumista.

Lähde: Advanced Materials

Tämä tekisi STCM‑metamateriaaleista ylivoimaisia nykyisiä perinteisiä vaahtoja tai romahdusvyöhykkeitä verrattuna, sillä ne tarjoaisivat jäykempää vastusta raskaille törmäyksille tai pehmeämpää vaimennusta kevyemmille iskuja.

Lähde: Advanced Materials

Uusien iskunvaimentimien luominen

Tulos saavutettiin luomalla monimutkainen, erittäin huokoinen muoto, joka tunnetaan nimellä gyroidiverkko. He vertasivat todellisia 3D‑tulostuksella valmistettuja osia, joita analysoitiin CT‑kuvauksella, CAD‑tietokonemalliin.

Lähde: Advanced Materials

Vaikka todellinen materiaali poikkesi hieman CAD‑mallista, koska metallikertyminen oli joissakin kohdissa paksumpaa (11,8 % korkeampi tiheys), todellinen iskunkestävyys ennustettiin oikein.

Kun sovellamme puristusta, gyroidiverkko muuntaa sen kiertoon, ja muuttamalla rajaehtoja voimme säätää energian absorptiokäyttäytymistä.

Nämä materiaalit voivat mukautua ja muuttaa omia ominaisuuksiaan riippuen iskun tyypistä ja voimakkuudesta vaikutusten lieventämiseksi.

Professori Shanmugam Kumar – University of Glasgow

Sovellukset

Toistaiseksi metallinen 3D‑tulostus on ollut enimmäkseen rajoittunut ilmailu- ja avaruusteollisuuksiin, koska metalliprinttereiden aloituskustannukset olivat korkeat. Tämä muuttuu nopeasti, kun teknologia kypsyy ja tuotanto skaalaa.

“Uskomme, että materiaali voi löytää sovelluksia sekä autoteollisuuden että avaruusturvallisuuden alalla tulevaisuudessa, tarjoten uuden materiaaliluokan, joka kykenee mukautumaan erilaisiin tarpeisiin tarpeen mukaan.

Se voisi myös tukea uusien energiankeräysmuotojen kehittämistä muuntamalla iskut pyöriväksi kineettiseksi energiaksi.”

Professori Shanmugam Kumar – University of Glasgow

Niinpä muutaman vuoden kuluttua voimme nähdä uuden luokan mukautuvia materiaaleja, jotka tarjoavat säädettävän energian absorptiokyvyn, romahdusjännityksen ja jäykkyyden kiertävien gyroidirakenteiden avulla.

Vedä vierittääksesi →

Aluksi sovellukset rajoittuvat todennäköisesti rautatie-, avaruus- ja puolustussektoreihin, ja sen jälkeen ne siirtyvät laajempaan autoteollisuuteen, ylellisistä malleista perusmalleihin.

Sijoittaminen 3D‑tulostukseen

Nano Dimension

Nano Dimension keskittyi alun perin 3D‑tulostettuihin elektroniikkatuotteisiin. Tämä sisältää erittäin erikoistuneita teknologioita, kuten johtavia tai dielektrisiä musteita ja keramiikkaa. Niitä voidaan esimerkiksi käyttää optisten tai radiokomponenttien valmistukseen.

Tämä on yksi mahdollinen 3D‑tulostuksen nanoskaalan sovellus, jonka tarkastelimme tarkemmin artikkelissa “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”.

Huomionarvoista on, että Nano Dimension on kasvanut hankintojen ja sisäisen T&K:n yhdistelmällä. Tämä strategia saavutti uuden huipun Desktop Metalin hankinnalla vuonna 2024.

Yhdessä kaksi yritystä saavat paljon vahvemman aseman metallin ja keramiikan 3D‑tulostuksessa kaikilla mittakaavoilla, elektroniikasta suuriin teollisuuslaitteisiin ja avaruusteollisuuteen. Tämä luo myös mittakaavaetuja yhdistämällä asiakaskunnan, johon kuuluvat SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronic ym.

Lopuksi, kaksi yritystä toimivat pääosin eri maantieteellisillä alueilla, Nano Dimension Euroopassa ja Desktop Metal Yhdysvalloissa, mikä mahdollistaa synergian myyntitiimien yhdistämisen.

Yritys väittää voivansa vähentää valmistuksen ekologista jalanjälkeä 94 % CO₂-päästöjen, 100 % veden, 98 % materiaalien ja 82 % kemikaalien käytön vähenemisellä. Kaiken kaikkiaan tämä on nostanut Nano Dimensionin yhdeksi 3D‑tulostuksen teknologiajohtajista.

Lähde: Nano Dimensions

Toinen hankinta , joka seurasi, oli Markforgedin ostaminen 115 M $:lla. Keskittyen komposiitti- ja metallilisävalmistuslaitteisiin, Markforgedin hankinta vahvistaa edelleen Nano Dimensionin asemaa metallin 3D‑tulostusmarkkinoilla.

“Tämän fuusion kauneus ja Markforgedin teknologioiden sarja eivät ole päällekkäisiä meidän teknologiamme kanssa. Synenergia syntyy sovelluksissa samankaltaisille yrityksille.”

Yoav Stern – Nano Dimensionin toimitusjohtaja
Yritys on myös hankintojen ja sisäisen kehityksen kautta edistymässä kohti johtavaa asemaa 3D‑tulostusohjelmistojen saralla.

Kuitenkin sijoittajien on tiedostettava, että koko 3D‑tulostusala on edelleen kassavirtaan negatiivinen, joten yrityksen täytyy leikata kuluja tai kasvaa riittävästi tulevaisuudessa voitolliseksi.

(Voit myös lukea yksityiskohtaisemman sijoitusraporttimme Nano Dimensionista lisätietoja varten.)

Uusimmat Nano Dimension (NNDM) -osaketuotteiden uutiset ja kehitys

Tutkimus viitattu:

^{1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. . Adaptive Twisting Metamaterials. Advanced Materials. 22 lokakuu 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202513714}