Forscher entwickeln Miniatur Gitterstrukturen für Belastungstests

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), haben erfolgreich 3D-Modelle zur Vorhersage des Verhaltens von Gitterstrukturen unter Druck getestet. Die Ergebnisse der Tests können für zukünftigen Anwendungen in Engineering und Design relevant sein.

Architektonische Gitterstrukturen, wie man sie zum Beispiel im berühmten Eifellturm findet, bieten ein hohes Maß an Festigkeit und Steifigkeit bei einer geringen Dichte. Diese Eigenschaften machen die Struktur sehr beliebt bei Architekten und Designern in aller Welt. Es existiert bereits eine große Anzahl von Forschungen, um die Schwächen des Gebildes unter Druck zu testen, die daraus gewonnenen Informationen basierten jedoch immer auf relativ großen Gittern.

Nun haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie genutzt, um herauszufinden, ob vorhandene Vorhersagemodelle auch auf Miniaturmodelle von Gitterstrukturen zutreffen würden. Die Wissenschaftler stellten 3D-gedruckte Miniaturgitterstrukturen her, um Informationen über ihre Schwächen unter Druck zu gewinnen. Der Forscher Mark Messner prognostizierte, dass es einen Abtausch zwischen einem Rendite-dominierten und einem katastrophalen Knick-dominierten Fehlermodus bei einer kritischen relativen Dichte geben würde.

Diese Vorhersage erfolgte mit einem neu entwickelten, äquivalenten Kontinuums-Modell. Die kritische, relative Dichte, kann mit praktischen Tests bestimmt werden und hängt von mehreren Modellierungsannahmen ab, die stark vom Herstellungsprozess beeinflusst werden. Das Lawrence Berkeley National Laboratory und die Forscherin Holly Carlton, nutzten auch eine Advanced Light Source für ihre Bestimmungen. Die Advanced Light Source (ALS) ist ein spezialisierter Partikelbeschleuniger, der dazu dient, Strahlen von Röntgenlicht für die wissenschaftliche Forschung zu erzeugen.

Carlton führte statische Kompressionstests und tomographische Tests an den 3D-gedruckten Miniaturgittern durch, um die Ergebnisse von Messners Vorhersagen zu bestätigen. Die in den Experimenten eingefangene Echtzeit-Deformation, zeigte einen Übergang im Fehlermodus vom katastrophalen Knicken bis hin zu einer niedrigen relativen Dichte. Diese kritische relative Dichte betrug etwa 10-20 Prozent der Schüttdichte.

Das Projekt wurde von der US-Abteilung für Energie, Büro der grundlegenden Energiewissenschaften finanziert (rund $ 99,5 Millionen) und  ist entscheidend für die Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, von der Materialwissenschaft bis zur Chemie Kalkulation und Bauwesen.

Die Ergebnisse der Experimente von Messner und Carlton wurden im Journal of Mechanics and Physics of Solids und Acta Materialia veröffentlicht. Dies ist das erste Mal, dass das Versagensverhalten in miniaturisierten Gitterstrukturen theoretisch vorhergesagt und experimentell getestet wurde.