Home Forschung & Bildung Nanoarchitekturen und 3D-Druck – Neue Materialien mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht

Nanoarchitekturen und 3D-Druck – Neue Materialien mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht

Foto: Peter Serles
tet

Forschende der Universität Toronto und des Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST) haben mithilfe von maschinellem Lernen nanostrukturierte Materialien entwickelt, die die Festigkeit von Stahl mit der Leichtigkeit von Styropor kombinieren. Die Arbeit, veröffentlicht in Advanced Materials, zeigt, wie fortschrittliche Algorithmen und 3D-Druck zur Optimierung dieser Materialien beitragen können. Diese Entwicklung könnte in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Industrien signifikante Fortschritte ermöglichen.

„Nanoarchitektonische Materialien kombinieren Hochleistungsformen, wie z. B. eine Brücke aus Dreiecken, in Nanogröße, wodurch der Effekt ‚Kleiner ist stärker‘ ausgenutzt wird, um einige der höchsten Festigkeits-/Gewichts- und Steifigkeits-/Gewichts-Verhältnisse aller Materialien zu erreichen“, sagt Peter Serles (MIE MASc 1T9, MIE PhD 2T4), der Erstautor der neuen Arbeit. „Die verwendeten Standard-Gitterformen und -Geometrien haben jedoch meist scharfe Schnittpunkte und Ecken, was zu dem Problem der Spannungskonzentration führt. Dies führt zu einem frühzeitigen lokalen Versagen und Bruch der Materialien und schränkt ihr Gesamtpotenzial ein. Als ich über diese Herausforderung nachdachte, wurde mir klar, dass dies ein perfektes Problem für das maschinelle Lernen ist.“

Die Materialien, sogenannte Nanolattices, bestehen aus winzigen Bauelementen, die nur wenige hundert Nanometer messen. Diese Kohlenstoffstrukturen werden in komplexen 3D-Geometrien angeordnet, um außergewöhnliche Festigkeits- und Steifigkeitswerte zu erreichen. Durch maschinelles Lernen wurde die Anordnung der Nanolattices optimiert, um Spannungen besser zu verteilen und die strukturelle Effizienz zu erhöhen. Das Team verwendete einen Algorithmus zur Bayesschen Optimierung, der auf 400 simulierte Datenpunkte zurückgriff, um optimale Geometrien zu identifizieren. Diese geringe Datengrundlage war durch die hohe Qualität der Simulationen möglich, die auf Finite-Elemente-Analysen basierten.

Die Prototypen wurden mit einem Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker gefertigt, der den Druck auf Mikro- und Nanometerskala ermöglicht. Diese neu entwickelten Strukturen verdoppelten die Festigkeit gegenüber bisherigen Designs und widerstanden Belastungen von 2,03 Megapascal pro Kubikmeter und Kilogramm Dichte. Diese Werte übertreffen die Leistungsfähigkeit von Titan bei weitem.

„Wir hoffen, dass diese neuen Materialdesigns schließlich zu ultraleichten Komponenten in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Flugzeugen, Hubschraubern und Raumfahrzeugen führen werden, die den Treibstoffbedarf während des Fluges reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit und Leistung aufrechterhalten können“, sagt Professor Tobin Filleter. „Dies kann letztendlich dazu beitragen, den hohen Kohlenstoff-Fußabdruck des Fliegens zu verringern.“

Die Anwendungen dieser Materialien sind vielfältig. In der Luftfahrt könnten sie dazu beitragen, Flugzeuge leichter zu machen, den Treibstoffverbrauch zu senken und den CO₂-Ausstoß zu reduzieren. Künftige Forschungsarbeiten sollen sich auf die Skalierung der Produktion und die Entwicklung weiterer Designs konzentrieren, um die Anwendung dieser Technologien auf makroskopischer Ebene zu ermöglichen.

Wöchentlicher 3Druck.com Newsletter

Keine News mehr versäumen: Wir liefern jeden Montag kostenlos die wichtigsten Nachrichten und Informationen zum Thema 3D-Druck in Ihr Postfach.

Wir senden keinen Spam! Mit dem Absenden des Formulars akzeptieren Sie unsere Datenschutzbestimmungen.

Keine News mehr versäumen!

Wir liefern wöchentlich kostenlos die wichtigsten Nachrichten und Informationen zu dem Thema 3D-Druck in Ihr Postfach. HIER ANMELDEN. Wir sind auch bei LinkedIn zu finden. Sie können uns hier folgen!