Licht poreus materiaal met maximale sterkte
Hoe krijg je maximale stijfheid met zo licht mogelijk materiaal? Ingenieurs van het Zwitserse ETH ontwikkelden poreus materiaal met een speciale microstructuur, met tal van mogelijke toepassingen.
Met de opkomst van 3D-printen is het mogelijk om op micrometerschaal (duizendste millimeter) structuren te maken. De Zwitserse ingenieurs gebruikten die methode om van kunststof een materiaal te maken dat zo licht mogelijk is, en toch maximale stijfheid bezit, dat wil zeggen nauwelijks vervormt als er een kracht op wordt gezet.
Gering gewicht bereikten ze door het materiaal op te bouwen uit poreuze cellen met een kubusvorm, van zo’n 20 µm. Er zit alleen materiaal op plekken die nodig zijn om het voldoende sterk te maken, voor de rest wordt het weggelaten. De ontwerpeis was met zo weinig mogelijk materiaal maximale sterkte bereiken, en wel zo dat de structuur in alle richtingen even sterk is.
Cel met kubusvorm
De ingenieurs onderzochten daarvoor allerhande mogelijke vormen om die cel op te bouwen, en uiteindelijk bleek een structuur die is opgebouwd uit plaatjes het beste resultaat te leveren.
De kubus-cel is opgebouwd uit drie substructuren van platen die delen van de kubus met elkaar verbinden:
- het midden van de kubusvlakken
- de tegenover elkaar staande ribben
- het midden van de ribben
De combinatie van de drie levert de ideale stijfheid, bijna wat theoretisch maximaal mogelijk is. De sterkte neemt percentueel gelijk af naarmate de plaatjes dunner worden: ze zijn dan gemakkelijker vervormbaar.
Staafjes voldoen niet
Het resultaat is opmerkelijk, omdat meestal er meestal voor wordt gekozen om zo’n kubusstructuur op te bouwen uit staafjes, die dan met schuine staafjes met elkaar zijn verbonden. Dat voldoet voor een enkele cel, maar het blijkt dat als daarvan een grotere structuur wordt gemaakt door al die cellen op elkaar te stapelen, het geheel minder sterk is, vaak een derde van wat theoretisch maximaal haalbaar is.
Wordt die grotere structuur opgebouwd uit de cellen met plaatjes, dan blijft de stijfheid wel even goed, en is die ruim drie keer beter dan bij de uitvoering met staafjes. De verklaring daarvoor is relatief eenvoudig: de plaatjes kunnen krachten twee richtingen opvangen, de staafjes maar in één.
Wel minder stevig dan massief
Het poreus maken van het materiaal maakt het geheel wel minder sterk dan bij de massieve variant. Desgevraagd laat Thomas Tancogne-Dejean van ETH weten dat een een cel die 80 % poreus is de sterkte heeft van een achtste van een massieve cel. Maar het voordeel is dat die cel wel veel lichter is.
De ingenieurs zien tal van toepassingen voor het materiaal, bijvoorbeeld als zelfdragend isolatiemateriaal, het maken van lichte structuren, bijvoorbeeld delen van een auto, of voor medische implantaten.
