Glasgow ingenieurs ontwikkelen ultra‑licht, high‑impact 3D‑geprint composite voor automotive en aerospace

Universiteit van Glasgow ingenieurs hebben een 3D‑geprint composite gepioneerd dat polyolefine harsen mengt met multi‑wand koolstofnanotubes, wat een materiaal levert dat zowel lichter als tougher is dan conventioneel aluminium. In hun recente paper, "Impact Behaviour of Nanoengineed, 3D‑Printed Plate‑Lattices," gepubliceerd in *Materials & Design*, detailleert het team een nieuwe plate‑lattice metamateriaal met uitzonderlijke impactweerstand.

Metamaterialen zijn geengineerde cellulaire soliden ontworpen om eigenschappen te vertonen afwezig in de natuur. Plate‑lattices, een subset hiervan, zijn kubieke frameworks van doorsnijdende platen die bemerkenswerte stijfheid en sterkte bereiken terwijl ze hoge porositeit behouden, wat ze lichtgewicht houdt.

Het team onderzocht of plate‑lattice geometrieën gefabriceerd uit hun nieuwe plastic‑nanotube composite bestaande materialen in stijfheid, sterkte, en toughness kunnen overtreffen. Gebruikmakend van het composite filament als 3D‑print feedstock, printten ze meerdere lattice configuraties en onderwierpen elk aan val‑impact tests – een 16,7‑kg gewicht vallend vanuit diverse hoogtes – om schokweerstand te beoordelen.

Initieel fabriceren de onderzoekers drie canonische plate‑lattice varianten: een basale kubieke eenheid bestaande uit drie doorsnijdende platen; een meer complexe kubus met additionele platen doorsnedes; en een multifaceted ontwerp. Elke variant werd geproduceerd in twee materiaalseries – polypropyleen (PP) en polyetheen (PE).

Vervolgens evalueerden ze drie hybride plate‑lattices die attributen van de initiële ontwerpen mergeerden: een simpele‑kubus/complexe‑kubus hybride, een simpele‑kubus/multifacet hybride, en een composite hybride die alle drie elementen integreerde. Deze hybriden werden ook gefabriceerd uit PP en PE.

De all‑in‑one hybride demonstreerde de hoogste impactabsorptie, met name de PP variant. Geëvalueerd door specifieke energie‑absorptie – een metric van geabsorbeerde energie per eenheid massa – sustineerde de PP hybride 19,9 J g⁻¹, wat vergelijkbare aluminium‑gebaseerde micro‑gearchitecteerde metamaterialen overtreft.

Dr Shanmugam Kumar, Lead van de Composites and Additive Manufacturing groep aan de Universiteit van Glasgow's James Watt School of Engineering, leidde de studie. Het project betrok ook mechanische en chemische ingenieurs van Khalifa University in Abu Dhabi en Texas A&M University in College Station, VS.

Kumar legde uit: "Dit onderzoek zit op de kruispunt van mechanica en materiaalwetenschap. Door onze nano‑geengineerde filament feedstock te balanceren met gesofisticeerde hybride lattice ontwerpen, hebben we ongekende stijfheid, sterkte, en energie‑absorptie prestaties bereikt. Vooruitgang in 3D‑printen maakt nu kosteneffectieve fabricatie van dergelijke ingewikkelde, hoog‑porieuze geometrieën mogelijk, wat industriële‑schaal productie binnen bereik brengt."

Kumar benadrukte automotive productie als een sleutel use case, notierend dat de onvermijdelijke zoektocht naar lichtere voertuiglichamen materialen vereist die crashveiligheid niet compromitteren. "Terwijl aluminium wijd gebruikt wordt, levert onze plate‑lattice superieure impactweerstand, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor toekomstige automotive structuren. Bovendien past de recycleerbaarheid van de betrokken kunststoffen bij de wereldwijde shift naar net‑nul en circulaire economieën," voegde hij toe.