Belastungstest: Experimente mit kleinen 3D-gedruckten Gitterstrukturen zeigen strukturelle Schwächen auf

 11. April 2017  Susann Heinze-Wallmeyer  

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben jetzt das Verhalten kleiner, 3D-gedruckter Gitterstrukturen unter Belastung getestet.

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Lawrence Livermoore National Laboratory LogoDie durch diese Tests gewonnenen Erkenntnisse bestätigen die theoretische Modellierung der Strukturen und sind für ihre zukünftigen Anwendungen im Engineering und Design von großer Relevanz.

Bekannte Gitterstrukturen

Vielleicht kennen Sie sich mit den Gitterstrukturen von Lattice Brücken aus. Mit Sicherheit haben Sie aber schon einmal den Eiffelturm in Paris gesehen – und sei es nur auf einer Ansichtskarte oder im Fernsehen. Er ist der berühmteste Vertreter der Lattice-Strukturen. Das Gitter ermöglicht eine niedrige Dichte der Strukturen, zugleich aber ein hohes Maß an Festigkeit und Steifheit, sodass es bei Designern, Architekten und Ingenieuren sehr beliebt ist. Zu diesen Strukturen gibt es bereits eine Vielzahl an Forschungsarbeiten, die sich aber in der Hauptsache auf die großen Modelle beschränken.

Gitterstrukturen im 3D-Druck

Mit dem 3D-Druck können die Gitterstrukturen nun auch miniaturisiert, also verkleinert, werden. Die Forscher des LLNL wollten nun herausfinden, ob die Vorhersagen auch im wesentlich kleineren Maßstab gelten. Mit den 3D-gedruckten Miniaturversionen konnten Spezifikationen für das Versagensverhalten bestimmt werden. Der Forscher Mark Messner prognostiziert, dass es einen Kompromiss zwischen einem anmutigen, Rendite-optimierten und einem katastrophalen knick-dominierten Fehlermodus geben müsse, bei dem es wiederum zu einer kritischen relativen Dichte kommen würde. Diese Vorhersage wurde mit einem neu entwickelten äquivalenten Kontinuumsmodell getroffen.

3D-gedruckte Miniatur Gitterstrukturen.
Diese 3D-gedruckten kleinen Gitterstrukturen wurden mit dem ALS Partikelbeschleuniger untersucht. (Bild: © llnl.gov)

Einsatz eines ALS Partikelbeschleunigers

Die kritische relative Dichte wurden mit den praktischen Tests bestimmt, unter anderem durch die Zuhilfenahme eines Advanced Light Source (ALS) Partikelbeschleunigers. Dieser dient dazu, helle Röntgenstrahlen zu erzeugen. Er wird in vielen Bereichen für Beobachtungen verwendet, so unter anderem in der Materialwissenschaft und in der Chemie. Der am Lawrence Berkeley National Laboratory tätige Forscher Holly Carlton nutzte den ALS zusammen mit der In-situ-Tomographie für statische Kompressionstests an den 3D-gedruckten Miniaturgittern. Die dadurch gewonnenen Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen Messners.

Die ermittelte Echtzeit-Deformation zeigte im Fehlermodus einen Übergang vom katastrophalen Knicken hin zu einer niedrigen relativen Dichte. Letztere Betrug etwa 10 bis 20 Prozent der Schüttdichte. Die Ergebnisse ihres Experiments veröffentlichten Messner und Carlton im Journal of Mechanics and Physics of Solids sowie in der Acta Materialia.

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