Diepzeespong inspireert supersterke rasterstructuur voor de techniek

Een team van ingenieurs van het RMIT’s Centre for Innovative Structures and Materials heeft biomimicry toegepast om een supersterke rasterstructuur te ontwikkelen die verbeterde prestaties levert ten opzichte van traditionele op honingraat gebaseerde opties.

Geïnspireerd door de diepzeespong, de Venusbloemmand, maakt het ontwerp gebruik van miljoenen jaren evolutie om auxetische eigenschappen, stijfheid en energieabsorptie te optimaliseren. Hier is hoe deze ultra-sterke rasterstructuur de sleutel kan zijn tot het ontsluiten van de volgende generatie gebouwen, medische procedures en nog veel meer.

Begrijpen van auxetische materialen

Om het belang van deze ontwikkeling te begrijpen, is het essentieel de cruciale rol van auxetische materialen in zowel natuurlijke als door de mens gemaakte toepassingen te doorgronden. Deze materialen verschillen van traditionele objecten die samendrukken wanneer ze worden gecomprimeerd of verlengen wanneer ze worden uitgerekt.

In plaats daarvan vertonen auxetische materialen laterale contractie onder compressie. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor toepassingen waarbij impactenergie effectief moet worden geabsorbeerd en verdeeld. Opmerkelijk is dat er natuurlijke versies van auxetische materialen bestaan, zoals je spierspezen, en door de mens gemaakte voorbeelden, zoals hartstents die zich moeten aanpassen aan vasculaire drukvereisten.

De evolutie van auxetische ontwerpen

In de loop der jaren is er veel R&D geïnvesteerd in het ontwikkelen van de meest effectieve auxetische materialen. Enkele huidige ontwerpen omvatten chirale structuren, stervormige honingraten, roterende starre-lichaamstructuren, multi-materiaal auxetica en re-entrante honingraten. Van deze opties zijn re-entrante hexagonale honingraten het meest prominent.

De re-entrante hexagonale honingraat: een traditionele benadering

Het re-entrante hexagonale honingraatontwerp is bio-geïnspireerd door de honingraten die in bijenkorven worden gevonden. Het werd ontwikkeld in 1982 en heeft diagonale ribben die onder compressie naar binnen verschuiven, waardoor het ontwerp stijver wordt.

Sindsdien is het ontwerp verbeterd met extra stijlen om de prestaties te verbeteren. Er zijn echter nog steeds veel nadelen aan de honingraatstructuur op het gebied van flexibiliteit, productiekosten en algehele prestaties.

Voortschrijdende rasterstructuren: de BLS-studie

Door de beperkingen in dit opkomende veld te erkennen, heeft een team van onderzoekers aan de RMIT University een propriëtair auxetisch ontwerp ontwikkeld dat zijn voorgangers op alle fronten overtreft. Het rapport “Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge“¹ gepubliceerd in Composite Structures benadrukt hoe het nieuwe ontwerp geïnspireerd is op de skeletstructuur van een diepe spons en in staat is re-entrante hexagonale honingraten met 13 keer te overtreffen.

De Venusbloemmand: het blauwdruk van de natuur

De diepzeespong Euplectella Aspergillum, gezamenlijk de Venusbloemmand genoemd, heeft een van de meest duurzame en unieke skeletstructuren in de natuur. De spons heeft een rasterachtige skeletstructuur bestaande uit glasachtige elementen, spicules genaamd, die een vierkant raster vormen.

Bron – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

Het raster wordt versterkt door dubbele rasterstijlen die de structuur een schaakborduiterlijk geven met afwisselend gevulde vierkanten. Deze open en gesloten cellen geven het organisme unieke mechanische eigenschappen, waaronder ongeëvenaarde stijfheid en hoogpresterende energieabsorptie.

Het construeren van een 3D-model van de bio-geïnspireerde rasterstructuur

De ingenieurs bouwden een 3D-model om hun ontdekkingen te demonstreren en hun theorieën te testen. Hun 3D body-centered cubic rasterstructuur werd geprint uit thermoplastisch polyurethaan. Het omvatte negen vierkante cellen gerangschikt in een 3 × 3 raster. Opmerkelijk noteerde het team dat elk raster afzonderlijk vervormingsgedrag vertoonde. Echter, wanneer gecombineerd, vertoonde het materiaal auxetische acties.

Computatiesimulaties: verfijnen van het BLS-ontwerp

De volgende stap was om gegevens van de tests te gebruiken om computersimulaties te maken. Deze aanpak stelt ingenieurs in staat hun testtempo te verbeteren en meer exotische vormen en ontwerpen te proberen in meer tests. Ze gebruikten simulaties om de invloed van geometrische variaties te evalueren.

De gegevens van elk materiaal, inclusief zijn auxetisch gedrag, stijfheid en energieabsorptiecapaciteit, werden gedocumenteerd. Bovendien onderzocht het team de impact van structurele parameters zoals de rangschikking en dikte van de niet-diagonale en dubbele-diagonale balken. Het team verfijnde vervolgens de afstand tussen de dubbele diagonale balken om optimale prestaties te bereiken.

Testen van de BLS: experimentele verificatie

De onderzoekers testten hun nieuwe rasterontwerp op verschillende manieren. Specifiek werd een Shimadzu AGS-50kNXD universele tester gebruikt om quasi-statische uniaxiale compressietests uit te voeren op de 3D-geprinte BLS-0 en CAS-eenheden. De ingenieurs documenteerden systematisch alle kernaspecten van het materiaal, inclusief auxetisch gedrag, stijfheid en energieabsorptie-eigenschappen.

Indrukwekkende testresultaten

De tests leverden enkele indrukwekkende resultaten op. Volgens de ingenieurs presteerde de BLS beter dan re-entrante hexagonale opties in alle opzichten. Wat compressie betreft, overtrof het het oorspronkelijke ontwerp met 13%. Bovendien absorbeerde het 10% meer energie over een 60% groter rekbereik.

De BLS vertoonde bijna dubbele stijfheid ten opzichte van traditionele buisontwerpen. Ook was het 3 keer sterker en toonde het 4 keer meer robuustheid vergeleken met zijn re-entrante honingraatvoorouders. Deze verbeterde mechanische prestaties komen voort uit een lichter ontwerp dat veel minder materiaal gebruikt dan alternatieven.

Belangrijkste voordelen van de bio-geïnspireerde rasterstructuur

Er zijn veel voordelen die de BLS-ontdekking de moeite waard maken. Ten eerste biedt het ingenieurs een nieuw niveau van compressieve sterkte en stijfheid, waardoor de creatie van duurzamere objecten mogelijk wordt. Van huizen tot auto’s, dit lichtere ontwerp kan de robuustheid van vele alledaagse voorwerpen verbeteren, evenals van enkele van de meest geavanceerde projecten van vandaag.

De rol van 3D-printen in BLS-productie

Een ander groot voordeel van dit ontwerp is dat het 3D-geprint kan worden. Deze aanpak stelt ingenieurs in staat de lay-out aan te passen aan vrijwel elke toepassingsvereiste. Bovendien biedt het de mogelijkheid om met andere materialen te experimenteren op een gecontroleerde en gemakkelijk te integreren manier, wat meer innovatie stimuleert.

Potentiële real-world toepassingen van BLS

Dit bio-geïnspireerde materiaal kan leiden tot de ontwikkeling van sterkere, veerkrachtigere structuren in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de civiele techniek. Al deze sectoren zijn voortdurend op zoek naar materialen die lichter, gemakkelijker te bewerken en die meer sterkte en stijfheid vertonen.

Nu streeft dit team van innovatieve onderzoekers ernaar een nieuwe klasse auxetische materialen te inspireren, die superieure mechanische eigenschappen bieden, zoals verbeterde energieabsorptie en structurele stijfheid.

Ingenieurs toepassingen: wat komt er hierna?

Veel analisten voorspellen dat toepassingen binnen de komende 5 tot 10 jaar kunnen ontstaan, afhankelijk van verder onderzoek en ontwikkeling. Hier zijn enkele van de potentiële toepassingen van deze technologie.

Constructie

Volgens ingenieurs zal de bouwsector hun belangrijkste focus zijn. Bouw- en constructiematerialen zijn duur, met prijzen die de afgelopen jaren sterk zijn gestegen. Deze ontwikkeling kan deze sector op verschillende manieren revolutioneren.

Ten eerste zou het bouwers in staat stellen sterkere structuren te creëren die minder materiaal gebruiken. Denk aan dit raster dat het stalen frame van uw huis of de balken in een gebouw vervangt. De open en gesloten dambordlay-out en het materiaal bieden auxetisch gedrag onder compressie van een lichtgewicht structuur.

Bovendien zouden architecten en ingenieurs gebouwen kunnen ontwerpen die veerkrachtiger zijn. Stel je een wolkenkrabber voor die is ontworpen om trillingen tijdens een aardbeving te verminderen of op een bepaalde manier stijver te worden wanneer de wind erop drukt. Op deze manier kan BLS de structurele ingenieursmogelijkheden op de markt verbeteren.

Beschermende uitrusting

Een ander interessegebied voor BLS is de beschermende uitrustingsindustrie. Dit materiaal zal zelfdragende beschermende uitrusting lichter en veerkrachtiger maken. Het rasterontwerp zorgt ervoor dat de lichtgewicht uitrusting onder de zwaarste omstandigheden en impact standhoudt, waardoor een nieuw veiligheidsniveau wordt geopend in veel van de gevaarlijkste sporten van vandaag.

Militair

Er zijn verschillende militaire toepassingen voor dit materiaal. Stel je de volgende generatie lichtgewicht en superdunne kogelvrije vesten voor. Ingenieurs zouden items zoals tijdelijke bruggen gemakkelijker kunnen maken, waardoor zowel de montage als het transport verbetert. Bovendien kan het een rol spelen bij het creëren van volgende generatie voertuigen en andere uitrusting die een verhoogde stijfheid vereisen maar aan strakke gewichtsbeperkingen moeten voldoen.

Denk aan drones die verder kunnen vliegen en meer schade kunnen incasseren, of helmen die directe treffers van hoge kalibers kunnen weerstaan zonder te breken. Al dit en meer is mogelijk door gebruik te maken van BLS-technologie.

Medische toepassingen

De medische sector zou deze technologie kunnen gebruiken om verschillende procedures te verbeteren. Bijvoorbeeld, implantaten die bedoeld zijn om slagaders open te houden moeten zich kunnen aanpassen aan extreme druk en jarenlang zonder degradatie blijven functioneren. Het nieuwe rasterontwerp biedt meer duurzaamheid en stijfheid wanneer nodig, waardoor de slagaders open blijven en levens worden gered.

Automobiel

Er zijn veel verschillende manieren waarop deze technologie uw volgende voertuig veiliger en efficiënter kan maken. Ten eerste zou het bijgewerkte buisontwerp het stalen frame dat momenteel door veel fabrikanten wordt gebruikt, kunnen vervangen. Dit nieuwe ontwerp zou de productiekosten verlagen en de sterkte en duurzaamheid verbeteren.

Bovendien kan deze technologie worden gebruikt om uw rit veel soepeler te maken. Visualiseer schokken en andere trillingsdempende structuren die met deze materialen zijn gecreëerd. Deze ontwerpen kunnen meer comfort bieden zonder het totale gewicht van uw volgende elektrische voertuig toe te voegen.

Bio-geïnspireerde rasterstructuur (BLS) onderzoekers

Het RMIT Centre for Innovative Structures and Materials leidde de studie, waarin Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie en Ngoc San Ha als onderzoekers betrokken waren. Nu is dit team van plan om het gebruik van andere materialen, zoals staal, te onderzoeken om hun creatie te testen.

Het team heeft ook interesse getoond in het combineren van materialen op basis van hun unieke eigenschappen om de prestaties verder te verbeteren. Deze experimenten zullen onder meer bestaan uit het maken van de balken en vierkanten van verschillende materialen die met elkaar kunnen interageren.

Investeren in de materiaalkundige sector

De materiaalkundige sector heeft verschillende toonaangevende fabrikanten die de technologie naar nieuwe hoogten blijven duwen. Deze nieuwste ontwikkeling toont het tempo aan waarmee innovatie op de markt plaatsvindt. Hier is een innovatief bedrijf dat goed gepositioneerd is om doorbraken in materiaalkunde te integreren om zijn ROI en productlijn te verbeteren.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) tradeerde in 1948 in dienst en is gevestigd in Connecticut. Deze in de VS gevestigde fabrikant is gespecialiseerd in op honingraat ontworpen materialen. Sinds de oprichting heeft Hexcel groot succes gekend.

Interessant genoeg was een van de eerste grote overheidscontracten van het bedrijf het ontwikkelen van moderne honingraatmaterialen voor gebruik in radardomeinen op militaire vliegtuigen tijdens de Tweede Wereldoorlog. Na het einde van de oorlog verwierf het bedrijf California Reinforced Plastics en Ciba Composites.

In 1995 nam het de Hercules Composites Products Division over. Tegenwoordig wordt het erkend als een toonaangevende innovator op het gebied van geavanceerde composietmaterialen voor lucht- en ruimtevaart- en industriële toepassingen. Het bedrijf heeft beroemd bijgedragen aan het ontwerp en de productie van het Apollo 11 re-entry vaartuig in 1968.

Hexcel bezit verschillende patenten op zijn onderzoek en blijft financiering investeren in de ontwikkeling van volgende-generatie materialen die de structurele integriteit verbeteren, het gewicht verminderen en gemakkelijkere productiemogelijkheden bieden.

Momenteel heeft Hexcel 5894 werknemers en rapporteerde een omzet van $1,90 mrd in 2024. Het aandeel wordt door de meeste analisten beschouwd als een sterke ‘Buy’, aangezien het bedrijf blijft overheidscontracten en steun voor volgende-generatie technologieën veiligstellen. Deze factoren, gecombineerd met de geschiedenis en positionering van het bedrijf, maken HXL een slimme toevoeging aan elke portefeuille.

Laatste nieuws over Hexcel Corp.

De toekomst van bio-geïnspireerde rasterstructuren

Wanneer je het voordeel van bio-geïnspireerde rasterstructuren voor de markt onderzoekt, is het duidelijk dat ze op een dag een cruciale rol zullen spelen in het lichter maken van elektronica, het veiliger maken van beschermende uitrusting en het robuuster maken van je toekomstige voertuig.

Bovendien zullen vooruitgangen in 3D-printen het nog gemakkelijker maken voor ingenieurs om ultra-presterende auxetische structuren en materialen te modelleren en te creëren. Voor nu verdient dit team lof voor het belichten van hoe auxetische materialen werken en hoe evolutie heeft bijgedragen aan het verbeteren van hun ontwerp.

Leer nu meer over andere doorbraken in de materiaalkunde.

Studies geraadpleegd:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Auxetisch gedrag en energieabsorptie-eigenschappen van een rasterstructuur. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}