In einer gemeinsamen Studie analysierten Forscher vom Imperial College London und der University of Sheffield die Gitterstrukturen von 3D-Druckobjekten und verglichen sie mit der Struktur eines metallischen Einzelkristalls. Sie fanden heraus, dass die Gitter metallurgischen Prinzipien folgen und die monokristallinen Strukturen von Metallen fast genau nachbilden, wobei die Knoten eines 3D-Druckgitters den Atomen eines Einzelkristalls entsprechen und die Gitterstreben als Atombindungen dienen. Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse in dem Paper „Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure„.
Inhalt:
Vorteile und Nachteile der Materialien
In beiden Strukturen sind die atomaren Ebenen bzw. die Knoten im Falle des Gitters alle in einer Linie. Das ist ideal für bestimmte Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, bei extremen Temperaturen eine Beständigkeit gegen Verformung zu haben, wie beispielsweise bei Strahltriebwerken. Solche Materialien haben jedoch ihre Nachteile: Wenn sie bis zur Bruchgrenze gedrückt werden, scheitern sie katastrophal. Das liegt daran, dass ein Riss immer dem Weg des geringsten Widerstands folgt, und bei einem monokristallinen Material ist das immer eine gerade Linie, weil seine Knoten die schwächsten Punkte sind und die Knoten alle in einer Linie sind.
Metakristalle: Wichtige Erkenntnisse für die Optimierung der 3D-Drucktechnologie
Polykristalline Materialien hingegen haben viele Kristalle und ihre Atomebenen sind zufällig angeordnet. Ein Riss in diesem Material wird durch den Weg der geringsten Widerstandswicklung in verschiedene Richtungen zwischen den Knoten verlangsamt. Wenn also die inneren Gitter von 3D-Druckobjekten nach polykristallinen Strukturen modelliert werden könnten, sollten diese Objekte theoretisch stärker sein.
Und das sind sie auch. Das Forschungsteam nahm Modelle polykristalliner atomarer Strukturen auf, skalierte sie und erstellte Mesostrukturen für den 3D-Druck; sie nennen diese Gitter Metakristalle. Ihre Experimente ergaben, dass die 3D-Druckobjekte mit den polykristallinen Gittern bis zu siebenmal stärker waren als die Standardgitterobjekte. Das ist ein signifikanter Festigkeitsunterschied für die Neuanordnung einiger Geometrien, aber nur der 3D-Druck könnte diese Entdeckung ermöglichen, da praktisch keine andere Herstellungsmethode diese Strukturen erzeugen kann.
„Dieser Ansatz der Werkstoffentwicklung hat potenziell weitreichende Auswirkungen auf den Bereich der additiven Fertigung. Die Verschmelzung der physikalischen Metallurgie mit den Metamaterialien wird es den Ingenieuren ermöglichen, beschädigungstolerante Materialien mit der gewünschten Festigkeit und Zähigkeit herzustellen und gleichzeitig die Leistung der Materialien als Reaktion auf äußere Belastungen zu verbessern“.
Chancen für den Multimaterial-3D-Druck
So die Aussage von Professor Iain Todd vom Department of Materials Science and Engineering an der University of Sheffield. Dr. Minh-Son Pham, vom Imperial College London, erläuterte das Potenzial der Kombination des Prozesses mit Multi-Material-3D-Druckern:
„Dieser Metakristall-Ansatz könnte mit den jüngsten Fortschritten im Multi-Material-3D-Druck kombiniert werden, um eine neue Forschungsgrenze bei der Entwicklung neuer fortschrittlicher Materialien zu erschließen, die leicht und mechanisch robust sind und das Potenzial haben, zukünftige kohlenstoffarme Technologien voranzutreiben“.
Ein Beispiel könnte ein Helm mit einer weichen, gummiartigen Außenseite und einer starren, polykristallinen Schale darunter sein, die alle in 3D als ein einziges Objekt gedruckt sind. Über die weiteren Forschungen auf diesem Gebiet berichten wir auch in Zukunft kostenlos im 3D-grenzenlos Magazin (hier abonnieren)
