Forscher aus Kanada von der Polytechnique Montréal haben einen bruchsicheren, 3D-druckbaren Stoff entwickelt der ähnlich der Eigenschaften von Spinnennetzen aufprallende Energie absorbieren soll. Denkbare Einsatzmöglichkeiten wären kostspielige Geräte mit zerbrechlicher Hardware, wie zum Beispiel Smartphones. Kugelsicheres Glas und Schutzbeschichtungen für Flugzeugtriebwerken wären ebenfalls denkbar.

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Forscher der Polytechnique Montréal haben einen 3D-gedruckten Stoff entworfen, der laut einer Pressemitteilung bis zu 96% eines Aufpralls absorbieren soll, ohne zu brechen. Dabei wurden sie von den natürlichen Eigenschaften von Spinnennetzen inspiriert. Die Entwicklung der Forscher könnte für 3D-gedruckte Abdeckungen für Telefone und andere Geräte mit zerbrechlicher Technologie eingesetzt werden. Kugelsicheres Glas und Schutzbeschichtungen für Flugzeugtriebwerke wären auch denkbar.

Inspiriert von der Eigenschaft von Spinnennetzen

Baseball und das Material
Die Forscher testeten ihre Entwicklung mit einem Baseball (im Bild), der aus 66 cm Höhe herunterfiel (Bild © Polytechnique Montréal).

Der Stoff wurde aus Polycarbonat (PC) hergestellt, einem Material, das aufgrund der niedrigen Viskosität beim FFF-3D-Druck dafür sehr geeignet ist.
Das erhitzte PC formte sich zu einem honigartigen Klebstoff, mit dem die Eigenschaften, die aus Spinnennetzen bekannt sind, nachgebildet werden. Prallt Beute auf ein Spinnennetz, wird der Stoß absorbiert und das Netz bleibt stabil. Das ist der Effekt, den die Forscher versuchten zu reproduzieren. Mit einem IFFF-3D-Drucker (Instability Assisted Fused Filament Fabrication) stellten sie das transparente und stoßabsorbierende Netz im 3D-Druckverfahren her. Das PC wurde teilweise geschmolzen und auf der Druckplattform extrudiert.

Das erhitzte PC wurde von Professor Frédérick Gosselins Team mit einer Reihe von Fasern mit einer Dicke von weniger als 2 mm „gewebt“. Sie wiederholten den Vorgang und druckten mehrere Fasern in einem Winkel von 90 Grad, bis sich die gesamte „Bahn“ verfestigt hatte. Der geschmolzene Kunststoff bildete Kreise, um eine Folge von Schleifen zu bilden. Die Schleifen wurden zu Opfergliedern verliehen der Faser zusätzliche Festigkeit, absorbieren bei einem Aufprall Energie und brechen. Die Gesamtintegrität bleibt jedoch aufrecht.

Stoßabsorbierende Faser aus Polycarbonat

Der Mechanismus kann im mikroskopischen Maßstab für eine neue stoßabsorbierende Faser eingesetzt werden, die große Energiemengen freisetzen kann, ohne zu brechen. In ihrem Bericht mit dem Titel „Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite“ zeigen die Forscher, wie sich die Fasern des Materials bei Verflechtung verhalten. Schlagversuche sollten zeigen, ob das Einbetten des Stoffes in eine Glasscheibe ein Zerbrechen verhindern würde. Das Material verformt sich an bestimmten Stellen und brach nicht. Die Gesamtform des Objekts blieb erhalten.

In einem weiteren Test musste das künstliche Spinnennetz einen frei fallenden Baseball (500 g) aus einer Höhe von 66 cm fallend fangen (siehe Bild oben). Die kinetische Energie des Baseballs wurde beim Aufprall durch das Aufbrechen der Opferbindungen und die Entfaltung ihrer verborgenen Längen weitgehend abgebaut.

Polycarbonat ist ein Material, das im häufiger beim 3D-Druck zum Einsatz kommt. Im Mai 2020 hat FELIXprinters eine Reihe neuer 3D-Drucker für Polycarbonat und Polypropylenfilamente vorgestellt. Weitere Neuheiten aus dem Bereich der 3D-Druck-Materialien finden Sie auf unserer Themenseite „Filamente und andere 3D-Druckermaterialien“ sowie regelmäßig im 3D-grenzenlos Magazin-Newsletter (hier abonnieren).

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