Новая форма материалов для 3D-печати, ориентированная на более легкие, безопасные конструкции автомобилей и многое другое

Исследовательская группа под руководством инженеров Университета Глазго разработала новую форму композитного материала, напечатанного на 3D-принтере, состоящего из полиолефиновых смол с многослойными углеродными нанотрубками, который прочнее и легче алюминия аналогичных форм. Команда ожидает, что это может привести к разработке более безопасных, легких и прочных конструкций для использования в автомобильной, аэрокосмической, возобновляемой и морской отраслях. В новом документе Поведение при воздействии наноинженерных, трехмерных печатных пластинчатых решеток опубликовано в журнале Materials &Design , команда описывает, как они разработали новый ячеистый «метаматериал» пластинчатой ​​решетки, обладающий впечатляющей стойкостью к ударам.

Метаматериалы - это класс искусственно созданных ячеистых твердых тел, спроектированных и спроектированных для проявления свойств, которых нет в мире природы. Одна из форм метаматериалов, известных как пластины-решетки, представляет собой кубические структуры, состоящие из пересекающихся слоев пластин, которые демонстрируют необычно высокую жесткость и прочность, несмотря на наличие значительного пространства между пластинами. Те пространства, которые инженеры называют пористостью, также делают пластины-решетки необычайно легкими.

Исследователи намеревались исследовать, могут ли новые формы конструкции пластина-решетка, изготовленные из разработанного ими композита пластик-нанотрубка, сделать метаматериал с еще более продвинутыми свойствами жесткости, прочности и ударной вязкости. Они использовали свой наноинженерный композит из нитей в качестве сырья в 3D-принтере, который сплавлял нити вместе, чтобы построить серию конструкций пластина-решетка. Затем эти конструкции были подвергнуты серии испытаний на удар при падении груза весом 16,7 кг с разной высоты, чтобы определить их способность выдерживать физические удары.

Во-первых, команда проверила три типа типичных решеток пластин, которые они спроектировали и построили:простой куб, образованный пересечением трех пластин; более сложный куб с дополнительными пересекающимися пластинами; и более многогранный дизайн. Эти типовые пластины-решетки изготавливались двумя партиями - из полипропилена и полиэтилена.

Затем они протестировали еще три «гибридных» решетки пластин, которые включали в себя особенности более простых конструкций из первых экспериментов:гибрид простого куба / сложного куба; простой куб / многогранный гибрид; и тот, который объединил все три. Опять же, были изготовлены партии из полипропилена и полиэтилена.

Гибридная конструкция, объединяющая элементы всех трех типичных конструкций пластин и решеток, оказалась mos . • Эффективно поглощает удары, при этом версия из полипропилена демонстрирует наибольшую ударопрочность. Используя показатель, известный как удельное поглощение энергии, который ученые используют для определения способности материала поглощать энергию относительно его массы, команда обнаружила, что гибридная пластина-решетка из полипропилена может выдерживать 19,9 джоулей на грамм - как сообщается, превосходные характеристики по сравнению с аналогичными разработаны микроархитектурные метаматериалы на основе алюминия.

Д-р Шанмугам Кумар, руководитель направления композитов и аддитивного производства инженерной школы Джеймса Ватта Университета Глазго, руководил исследовательским проектом. В исследовательскую группу также вошли инженеры-механики и химики из Университета Халифа в Абу-Даби и Техасского университета A&M в Колледж-Стейшн в США.

Саид Кумар:«Эта работа находится на пересечении механики и материалов. Баланс между углеродными наноструктурными волокнами, которые мы разработали в качестве сырья для 3D-печати, и созданными нами гибридными конструкциями из композитных пластин и решеток, дал действительно захватывающий результат. В погоне за легкой конструкцией ведется постоянная охота за сверхлегкими материалами с высокими характеристиками. Наши наноинженерные гибридные пластины-решетки обеспечивают исключительную жесткость и прочностные свойства и демонстрируют превосходные характеристики поглощения энергии по сравнению с аналогичными решетками, построенными из алюминия. Достижения в области 3D-печати делают проще и дешевле, чем когда-либо, изготовление сложных геометрических форм с заданной пористостью, которые лежат в основе нашей конструкции пластина-решетка. Производство такого рода конструкций в промышленных масштабах становится реальной возможностью ».

По словам Кумара и его команды, ключевым применением этого нового типа решетчатых пластин вполне может быть автомобилестроение, где существует постоянное стремление создавать более легкие кузова без ущерба для безопасности во время столкновений. «Алюминий используется во многих современных автомобилях, но наша пластина-решетка обеспечивает более высокую ударопрочность, что может сделать ее полезной в таких случаях в будущем ... Возможность вторичной переработки пластмасс, которые мы используем в этих пластинах-решетках, также делает они привлекательны по мере того, как мы движемся к миру с нулевым чистым нулевым уровнем, в котором модели экономики замкнутого цикла будут иметь центральное значение для повышения устойчивости планеты », - отметил Кумар.