Schusssichere Struktur aus dem 3D-Drucker

Einem Forscherteam der Brown School of Engineering der Rice University ist es gelungen ein leichtes Material zu entwickeln, welches fast so hart wie Diamant und dadurch schussfest ist.

Inspiriert wurde dies von der Struktur von Tubulanen. Dies sind theoretische Strukturen von vernetzten Kohlenstoffnanoröhren, deren außergewöhnliche Festigkeit vorhergesagt wird. In der Vergangenheit wurden viele theoretische Systeme entwickelt, welche jedoch nicht möglich waren zu synthetisieren. Tubulane selbst wurden 1993 von dem Chemiker Ray Baughman und dem Physiker Douglas Galvão vorhergesagt. Diese Strukturen können derzeit noch nicht hergestellt werden.

Das Rice Lab des Materialwissenschaftlers Pulickel Ajayan hat herausgefunden, dass Tubulane als vergrößerte, 3D-gedruckte Polymerblöcke imitiert werden können. Diese können Projektile besser ablenken als dasselbe Material ohne Löcher. Die Blöcke sind auch stark komprimierbar ohne, dass sie auseinanderzubrechen. Wie in dem Fachartikel erklärt wird, kann die Entdeckung zu gedruckten Strukturen jeder Größe mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften führen.

Der Doktorand und Hauptautor Seyed Mohammad Sajadi und seine Kollegen bauten Computersimulationen verschiedener Tubulanblöcke, druckten die Entwürfe als makroskalige Polymere und setzten sie Quetschkräften und schnellen Kugeln aus. Die Strukturen erwies sich als 10-mal besser, wenn es darum ging, eine Kugel zu stoppen, als ein massiver Block aus demselben Material.

Das Rice-Team feuerte Geschosse mit einer Geschwindigkeit von 5,8 Kilometern pro Sekunde in gemusterte und feste Würfel. Die Tests zeigten, dass diue neu entwicklete Struktur um einiges haltnarer als die festen Würfel waren. Das poröse Polymergitter der Tubulanblöcke fällt in sich zusammen ohne zu brechen.

Die Ajayan-Gruppe hat vor zwei Jahren ähnliche Strukturen geschaffen, als sie theoretische Modelle von Schwarziten in 3D-gedruckte Blöcke umwandelte. Aber die neue Arbeit ist ein Schritt in Richtung dessen, was Materialwissenschaftler für einen heiligen Gral halten, erklärte Sajadi.

Sajadi sagte, dass tubulanartige Strukturen aus Metall, Keramik und Polymer nur durch die Größe des Druckers begrenzt sind. Die Optimierung des Gitterdesigns könne zu besseren Materialien für Anwendungen in den Bereichen Zivil, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Sport, Verpackung und Biomedizin führen.

Das Paper zu der Forschung mit dem Namen “3D Printed Tubulanes as Lightweight Hypervelocity Impact Resistant Structures” erschien 2019 im Fachmagazin Small. Als Autoren werden Seyed Mohammad Sajadi, Cristiano F. Woellner, Prathyush Ramesh, Shannon L. Eichmann, Qiushi Sun, Peter J. Boul, Carl J. Thaemlitz, Muhammad M. Rahman, Ray H. Baughman, Douglas S. Galvão, Chandra Sekhar Tiwary und Pulickel M. Ajayan aufgeführt.