Глазговские инженеры разработали ультра-легкий высокоударный 3D-принтируемый композит для авто и аэро

Инженеры Глазговского университета пионерили 3D-принтируемый композит, смешивающий полиолефиновые смолы с многослойными углеродными нанотрубками, доставляя материал, который и легче, и жестче конвенционального алюминия. В их недавней работе «Поведение при ударе наноинженерных 3D-принтируемых пластинчатых решеток», опубликованной в *Materials & Design*, команда детализирует новый пластинчатый метаматериал, демонстрирующий исключительную ударную стойкость.

Метаматериалы — инженерированные клеточные твердые тела, спроектированные для демонстрации свойств, отсутствующих в природе. Пластинчатые решетки, подмножество этих, — кубические каркасы пересекающихся пластин, достигающие замечательной жесткости и прочности при сохранении высокой пористости, что, в свою очередь, держит их легкими.

Команда исследовала, могут ли пластинчатые геометрии, отфабрикованные из их нового пластик-нанотрубчатого композита, превзойти существующие материалы в жесткости, прочности и вязкости. Используя композитный филамент как сырье для 3D-печати, они напечатали множественные конфигурации решеток и подвергли каждую тестам на удар падением — сбрасывая 16,7-килограммовый вес с различных высот — для оценки ударной устойчивости.

Изначально исследователи отфабриковали три канонических варианта пластинчатых решеток: базовый кубический элемент, включающий три пересекающиеся пластины; более сложный куб с дополнительными пересечениями пластин; и многофасеточный дизайн. Каждый вариант был произведен в двух материальных сериях — полипропилен (ПП) и полиэтилен (ПЭ).

Затем они оценили три гибридные пластинчатые решетки, объединяющие атрибуты из начальных дизайнов: гибрид простой-куб/сложный-куб, гибрид простой-куб/многофасеточный, и композитный гибрид, интегрирующий все три элемента. Эти гибриды также были отфабрикованы из ПП и ПЭ.

Все-в-одном гибрид продемонстрировал наивысшее поглощение удара, особенно вариант ПП. Когда оценен по удельной энергии поглощения — метрике поглощенной энергии на единицу массы — ПП гибрид выдержал 19,9 Дж/г, превосходя сравнимые алюминиевые микроархитектурные метаматериалы.

Д-р Шанмугам Кумар, руководитель группы композитов и аддитивного производства в школе инженерии Джеймса Ватта Глазговского университета, возглавил исследование. Проект также задействовал механических и химических инженеров из Халифского университета в Абу-Даби и Техасского А&M университета в Колледж-Стейшн, США.

Кумар объяснил: «Это исследование сидит на перекрестке механики и материаловедения. Балансируя наш наноинженерный филамент-сyrой с изощренными гибридными решетчатыми дизайнами, мы достигли беспрецедентной жесткости, прочности и поглощения энергии. Прогресс в 3D-печати теперь позволяет стоимостно-эффективную фабрикацию таких сложных, высокопористых геометрий, приближая промышленное масштабирование в пределах досягаемости».

Кумар подсветил автопроизводство как ключевой юз-кейс, отмечая, что неумолимое преследование более легких кузовов требует материалов, не компромиссных в аварийной безопасности. «Пока алюминий широко используется, наша пластинчатая решетка доставляет превосходную ударную стойкость, делая ее многообещающим кандидатом для будущих автоструктур. Дополнительно, рециклируемость вовлеченных пластиков выравнивается с глобальным сдвигом к нетто-нулю и круговым экономикам», — добавил он.