IMDEA und UC3M präsentieren neue Methode zur Prüfung von 3D-gedruckten Metallstrukturen

Forschende der Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) und des IMDEA Materials Institute haben eine bahnbrechende experimentelle Technik für Fragmentierungstests entwickelt. Diese Methode soll die Energieabsorptionsfähigkeit metallischer Strukturen, die mittels 3D-Druck hergestellt wurden, bei Aufprallereignissen evaluieren. Diese Technik zeichnet sich durch ihre Flexibilität, Einfachheit und Schnelligkeit aus und übertrifft damit herkömmliche Verfahren.

Die Hauptanwendungsbereiche dieser Forschung liegen in der Luft- und Raumfahrt, im Sicherheits- und Bauwesen. In diesen Sektoren ist die Entwicklung neuer Materialien für leichte, tragbare Schutzstrukturen, die vor Ort repariert werden können und über eine hohe Energieabsorptionskapazität bei Aufprall verfügen, von essenzieller Bedeutung.

Ein Beispiel für die Anwendung dieser Technologie wäre der Schutz von Flugzeugen bei Vogelschlägen oder die Sicherheit bei Fahrzeugkollisionen und Explosionen in sensiblen Bereichen wie Regierungsgebäuden oder Kernkraftwerken.

“Die Idee ist, Schutzstrukturen mit 3D-Druck herzustellen, um ihre Kosten zu senken, den Abfall zu minimieren, ihr Design zu personalisieren und ihre Herstellung ins Ausland zu verlagern, da dies vor Ort erfolgen könnte, was insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich von großem Vorteil wäre”, erklärt Juan Carlos Nieto Fuentes, Marie-Curie-CONEX-Plus-Forscher (GA 801538) aus dem Fachbereich Kontinuumsmechanik und Strukturanalyse der UC3M, der diese Arbeit kürzlich im Journal of the Mechanics and Physics of Solids veröffentlichte.

Die neue Technik wurde im UC3M Impact Laboratory entwickelt, wo Fragmentierungstests mit Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde durchgeführt werden.

“In dem Artikel wird eine neue experimentelle Technik vorgestellt, die im Aufpralllabor der UC3M eingeführt wurde, wo wir Fragmentierungstests mit Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde durchführen”, erklärt ein weiterer Autor, José Antonio Rodríguez Martínez, ein Senior Lecturer in derselben Abteilung der UC3M, der diese Forschung im Rahmen von PURPOSE, einem ERC Starting Grant-Projekt der Europäischen Union (GA 758056), entwickelt hat.

“Wir haben insbesondere die Verteilung von Form und Größe der Poren, die sich aus dem Druckprozess ergeben, bestimmt und ihre Auswirkungen auf die Bildung und Ausbreitung von Rissen und damit auf die Energieabsorptionsfähigkeit der Struktur untersucht”, sagt Federico Sket, leitender Wissenschaftler bei IMDEA Materials, der zusammen mit seinem Kollegen Jonathan Espinoza, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts, an dieser Studie beteiligt war.

Die Experimente wurden mit einer heliumbetriebenen Gaskanone durchgeführt, die ein zirka 150 Gramm schweres, kegelförmiges Projektil mit Geschwindigkeiten zwischen 200 und 400 Metern pro Sekunde abfeuerte. Die dabei entstehende radiale Expansion und Fragmentierung der Röhrenproben zeigten die Effektivität der Methode.

“Die Technik ist einfacher, schneller und flexibler in der Anwendung und hat geringere Betriebskosten als Systeme, die Sprengstoffe oder elektromagnetische Systeme verwenden. Mit unserem Gerät können wir außerdem mehr Experimente in kürzerer Zeit durchführen und so eine Reihe von Tests durchführen, die statistisch signifikante Ergebnisse liefern”, erklären Sergio Puerta und David Pedroche, Labortechniker der Abteilung für Kontinuumsmechanik und Strukturanalyse der UC3M, die an der Durchführung der Experimente beteiligt waren.

“Diese Technik wird uns letztlich Aufschluss darüber geben, ob der 3D-Metalldruck eine brauchbare Technik für den Bau von Schutzstrukturen ist”, sagt José Antonio Rodríguez Martínez. “In den USA gibt es bereits spezielle Programme, die vom Verteidigungsministerium und vom Energieministerium gefördert werden, um diesen Forschungszweig zu finanzieren. Wir hoffen, dass die Europäische Union und die spanische Regierung ebenfalls eine langfristige Vision entwickeln, die es uns ermöglicht, die von uns durchgeführte Grundlagenforschung in die technische Praxis umzusetzen.”

Diese Forschung legt den Grundstein für ein Protokoll zur systematischen Bestimmung der Energieabsorptionsfähigkeit von gedruckten Strukturen und könnte letztendlich aufzeigen, ob der 3D-Druck von Metallen für den Bau von Schutzstrukturen praktikabel ist. José Antonio Rodríguez Martínez unterstreicht die Bedeutung von Förderprogrammen in den USA durch das Verteidigungs- und Energieministerium und fordert eine ähnliche langfristige Vision von der Europäischen Union und der spanischen Regierung.