Forscher an der texanischen Rice University haben Strukturen erforscht, mit denen 3D-gedruckte Objekte aus Polymeren extrem großen Krafteinwirkungen standhalten, so zum Beispiel Schüssen aus einer Pistole. Sogenannte Tubulanen-Strukturen halfen dabei, dass sogar Kugeln, die auf die 3D-Objekte abgefeuert werden, diese nicht zerstören. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher jetzt einem Wissenschaftsmagazin.

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Forscher an der Rice University in Houston haben Polymerwürfel mit dem 3D-Drucker hergestellt, die sogar Kugeln standhalten. Das ist laut den Wissenschaftlern durch ihre vielen Schichten mit unterschiedlichen Mustern möglich. In einer Pressemitteilung stellen sie ihre Arbeit vor.

Extreme Kompressibilität und Festigkeit

3D-gedruckte Würfel mit und ohne Tubulanen-Struktur
Tests mit den Würfeln zeigten den Forschern, dass der Würfel mit den speziellen Strukturen Einschlägen einer Kugel mit 5,8 Kilometer pro Sekunde sehr gut standhält (Bild © Jeff Fitlow).

Die Forscher führten Tests mit den Würfeln durch, die zeigten, dass die speziellen Strukturen einer Kugel, die mit 5,8 Kilometern pro Sekunde auf den Würfel einwirkt, besser standhalten als feste Würfel aus gleichem Polymer. Sie bleiben beim Aufprall der Kugel nahezu komplett intakt.

Das Forscherteam hat einen Artikel in der wissenschaftlichen Zeitschrift „Small „veröffentlicht. Darin erklären sie, dass eine Extrapolation der bisher gesammelten Werte zu den Strukturen und Mustern und ein neuerlicher Druck der Würfel nichts an den Eigenschaften wie der Festigkeit und der extremen Kompressibilität ändert, obwohl es feste Strukturen sind.

Tubulanen-Strukturen

Theoretischen mikroskopischen Strukturen aus vernetzten Kohlenstoffnanoröhren, sogenannten Tubulanen, wurden bereits 1993 vom Chemiker Ray Baughman und dem Physiker Douglas Galvão Eigenschaften wie beeindruckende Festigkeit und extreme Kompressibilität nachgesagt. Die nun 3D-gedruckten Zickzack- und Kreuzmuster basieren auf diesen Tubulanen. Sie werden strategisch berechnet und konstruiert, damit unglaublich feste Objekte entstehen.

Bei ihrer Arbeit schossen die Forscher auf zwei ihrer Würfel. Der eine war aus festem Polymer, der andere hatte eine auf Tubulanen basierte Struktur. Der feste Polymerblock wurde stark beschädigt. Beim zweiten Würfel blieb die Kugel in der zweiten Schicht stecken und der übrige Teil des Würfels blieb intakt. Für die Forscher bedeutete das, dass poröse Strukturen derartigen Einwirkungen von außen schlecht standhalten können.

Polymer statt Metall und Keramik?

In der Praxis würde es so aussehen, dass das komplexe Polymergitter den Würfel komprimieren und kollabieren würde. Die kinetische Energie eines Aufpralls würde absorbiert und der Schaden so deutlich reduziert. Das zeigt, dass man statt Metall oder Keramik für verschiedene Anwendungen in der Luftfahrt, Architektur oder anderen Branchen auch günstigere Polymere für haltbare Teile oder Komponenten verwenden könnte. Forscher in Großbritannien haben sich Anfang des Jahres darüber Gedanken gemacht, wie man 3D-Objekte bei extremen Temperaturen beständiger gegen Verformungen machen kann.

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