De stiveste porøse letvægtsmaterialer nogensinde

Forskere ved ETH har udviklet og fremstillet en familie af arkitekturer, der maksimerer stivheden af ​​porøse letvægtsmaterialer. Det er praktisk talt umuligt at udvikle stivere designs.

3-D-print og andre additive produktionsteknikker gør det muligt at fremstille materialer med indre strukturer af tidligere ufattelig kompleksitet. Dette er interessant for letvægtskonstruktioner, også, da det muliggør udvikling af materialer, der har den højest mulige andel af indvendige hulrum (for at gøre materialerne så lette som muligt), men samtidig er så robuste som muligt. For at opnå dette kræver det, at de interne strukturer er intelligent organiseret for maksimal effektivitet.

Et forskerhold fra ETH Zürich og MIT ledet af Dirk Mohr, Professor i beregningsmodellering af materialer i fremstilling, har udviklet og fremstillet materialearkitekturer, der er lige stærke i alle tre dimensioner, og som samtidig er ekstremt stive.

Det er muligt matematisk at bestemme, hvor stive materialer med indre hulrum teoretisk kan blive; Mohrs strukturer har vist sig at komme ekstremt tæt på denne teoretiske maksimale stivhed. Sagt på en anden måde, det er praktisk talt umuligt at udvikle andre materialestrukturer, der er stivere for den givne vægt.

Plader, der udskifter bindingsværk

Et karakteristisk træk ved designet er, at stivheden i materialets indre opnås gennem pladegitre frem for spær.

"Truss-princippet er meget gammelt; det har længe været brugt til bindingsværkshuse, stålbroer og ståltårne, som Eiffeltårnet.

Vi kan se gennem truss gitter, så de opfattes ofte som ideelle letvægtsstrukturer, " siger professor Mohr. "Men, ved hjælp af computerberegninger, teori og eksperimentelle målinger, vi har nu etableret en ny familie af pladegitterkonstruktioner, der er op til tre gange stivere end fagverksgitter med samme vægt og volumen "(Se boks.) Og det er ikke kun stivheden (modstand mod elastisk deformation) af disse strukturer, der nærmer sig teoretiske maksimumværdier:deres styrke (modstand mod irreversibel deformation) gør, også.

ETH-forskerne udviklede oprindeligt disse gitter på computeren, beregne deres egenskaber i processen. Derefter producerede de dem i mikrometerskalaen fra plast til 3D-print. Mohr understreger, imidlertid, at fordelene ved dette design er universelt anvendelige - for alle bestanddele og også på alle længdeskalaer, fra den meget lille (nanometer-størrelse) til den meget store.

forud for deres tid

Mohr og hans forskerhold er forud for deres tid med disse nye gitter:pt. fremstilling med 3-D print er stadig relativt dyrt. "Hvis den slags gitter skulle være additivt fremstillet af rustfrit stål i dag, de ville koste lige så meget per gram som sølv, " siger Mohr. "Men gennembruddet vil komme, når additive fremstillingsteknologier er klar til masseproduktion. Let konstruktion, hvis nuværende omkostninger begrænser dets praktiske anvendelse til flyproduktion og rumapplikationer, kan så også bruges til en bred vifte af applikationer, hvor vægt spiller en rolle." Udover at gøre strukturer lettere, de mange tomrum reducerer også mængden af ​​nødvendige råmaterialer, og dermed også materialeomkostningerne.

Der er ingen grænser for de potentielle applikationer, siger Mohr. Medicinske implantater, bærbare computerkabinetter og ultralette køretøjsstrukturer er blot tre af mange mulige eksempler. "Når tiden er inde, så snart lette materialer fremstilles i stor skala, " siger Mohr, "disse periodiske pladegitter vil være det valgte design."