de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Seoul National University hat eine neuartige ultraleichte Strukturmaterialklasse entwickelt. Durch eine als 3D-Knotenwicklung (3D node winding) bezeichnete Fertigungsmethode wurde ein mesoskaliges Kohlenstofffaser-Gitter aufgebaut, dessen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis dem von Aluminium entspricht, jedoch nur ein Hundertstel des Gewichts von Aluminium aufweist. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht und zeigen eine neue Methode zur Konstruktion robuster und leichter Strukturen ohne Verbindungsstücke oder schichtweise Montage, wodurch ein entscheidender Engpass beim Aufbau komplexer dreidimensionaler Formen aus diskreten Bauteilen im Strukturdesign beseitigt wird.
Für Anwendungen wie Drohnen, Roboter, Fahrzeuge und Luft- und Raumfahrtsysteme sind hochfeste, leichte Materialien von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe weisen zwar ein hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf, werden jedoch in der Regel durch Schichtung oder Montage mehrerer Teile hergestellt, was die Designflexibilität einschränkt und schwache Grenzflächen erzeugt. Fortschrittliche 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe basieren ebenfalls auf schichtweiser Fertigung, wodurch innere Grenzen entstehen, die die Lastübertragung behindern und den Konstrukteur zwingen, zwischen struktureller Komplexität und mechanischer Zuverlässigkeit abzuwägen.
Anstatt Materialien zu montieren oder zu schichten, legt das Forschungsteam einzelne durchgehende Kohlenstofffasern direkt im dreidimensionalen Raum ab, um die Struktur zu definieren. Der Prozess beginnt mit einem temporären Gerüst, das die Knotengeometrie definiert. Lange Kohlenstofffasern werden um diese Knoten gewickelt, um ein räumliches Gitterwerk zu bilden. Nach der Festlegung der Geometrie wird das Material durch Harzimprägnierung und Verfestigung zu einem festen Verbundwerkstoff verdichtet. Da die Fasern in der gesamten Struktur durchgehend bleiben, können Kräfte unterbrechungsfrei übertragen werden, wodurch Spannungskonzentrationen und Versagenspunkte an Verbindungen und Grenzflächen vermieden werden.
Die neuartige Kohlenstofffaser-Gitterstruktur erreicht eine Druckfestigkeit von 10-30 Megapascal, vergleichbar mit Beton, und bietet bei extrem geringer Masse ein Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auf Aluminiumniveau. Dank der durchgehenden Lastpfade können diese Strukturen Kräfte effizienter verteilen und inaktives Material minimieren, wodurch sie bis zu zehnmal stärker sind als herkömmliche Gitterstrukturen gleichen Gewichts. Zur Validierung der Methode wurde die Struktur in einen Drohnenrahmen integriert. Der neu gestaltete Rahmen wies im Vergleich zu herkömmlichen Designs eine Gewichtsreduzierung von etwa 79 % auf, was unter identischen Betriebsbedingungen zu einer um 33 % längeren Flugzeit führte.
Dr. Jun Young Choi und Professor Sung-Hoon Ahn erklärten, dass die räumliche Komplexität durchgehender Faserarchitekturen deren Skalierbarkeit in der herkömmlichen Fertigung einschränke. Mit Fortschritten in der robotergestützten und KI-gesteuerten Fertigungstechnologie könnten diese Strukturen jedoch nun in großem Maßstab produziert werden. Diese Arbeit biete einen Fahrplan für ihre praktische Umsetzung. Die Auswirkungen dieser Technologie erstrecken sich auf zahlreiche Bereiche wie Luft- und Raumfahrt, Mobilitätssysteme, Robotik und Bauwesen. In der Luft- und Raumfahrt könnten Reichweite, Nutzlastkapazität und Energieeffizienz verbessert werden; in der Robotik könnten Antriebsgeschwindigkeit und Präzision gesteigert werden; im Bauwesen eröffnen sich Wege für materialsparende Tragwerke. Die Methode unterstützt den Wandel von der komponentenbasierten Konstruktion hin zu integrierten Struktursystemen, die durch Geometrie, Kontinuität und automatisierte Fertigung definiert werden.
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