Additive Fertigung 3D-gedruckte Struktur macht Schaum stabiler

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Forscher der Texas A&M University haben einen Superfoam additiv gefertigt, der 10-mal mehr Energie absorbieren kann als ein herkömmlicher Schaum. Dieser 3D-gedruckte Schaum könnte erhebliche Auswirkungen im Verteidigungssektor haben und Leben retten.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Schäume war die interne Struktur problematisch: Entweder es wird ein zufälliges Muster gewählt, das die Energieabsorption einschränkt, oder man entscheidet sich für technischere Materialien und Gitterstrukturen, die teurer und schwerer massenhaft herzustellen sind. Die Entscheidung fällt somit zwischen Präzision und Preis.

Schaum und 3D-Druck: Wie funktioniert das?

Aber das könnte sich dank 3D-Druck ändern. Das Team der Texas A&M University hat  eine Technik namens „In-Foam Additive Manufacturing“ (IFAM) entwickelt, die es ermöglicht, ein 3D-Netzwerk aus Kunststoffstreben innerhalb eines Schaumbereichs zu erstellen. Die Kombination beider wird dazu verwendet, besser gegen die aufgebrachte Druckkraft zu widerstehen. Diese Kunststoffstreben werden an den gewünschten Stellen direkt in den Schaum eingelegt. Damit ist die 3D-gedruckte Struktur in den Schaum integriert.

IFAM ist ein einfacher, computergestützter Fertigungsprozess, der es uns ermöglicht, ein Elastomergestell innerhalb eines herkömmlichen Schaumstoffes mit offenen Zellen zu konstruieren.

Dr. Eric Wetzel

Wenn man sich die Funktionalität des finalen Blocks ansieht, fungiert der Schaum zunächst als Verstärkung. Wenn die aufgebrachte Kraft auf die Struktur wirkt, kommen die Streben ins Spiel: Sie drücken diesen Druck nach außen aus dem Schaum. Das Ergebnis? Die Struktur kann mehr Energie absorbieren und damit schwereren Lasten widerstehen. Dr. Eric Wetzel, Teamleiter für strategische Polymer-Additive-Fertigung am Army Research Laboratory, erklärt: „IFAM ist ein einfacher, computergestützter Fertigungsprozess, der es uns ermöglicht, ein Elastomergestell innerhalb eines herkömmlichen Schaumstoffes mit offenen Zellen zu konstruieren. Der Durchmesser, der Abstand, der Winkel und die Elastizität des Elastomers können so ausgewählt werden, dass ein breites Spektrum an Eigenschaften erreicht wird. Der IFAM-Prozess kombiniert das Beste aus beiden Welten und bietet ein anpassbares, leistungsfähiges und kostengünstiges energieabsorbierendes Verbundmaterial.“

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Anwendungen des Super-Schaums

Da das Projekt vom Militär finanziert wird, ist es nicht überraschend, dass dieser Superschaum für Verteidigungsanwendungen entwickelt wird. So kommt es beispielsweise in Militärhelmen zum Einsatz oder als explosionsresistentes Sitzkissen. Es bietet ein leichteres und effizienteres Material in Bezug auf Energie- und Stoßabsorption: eine ideale Lösung für viele Anwendungen im Militärbereich. Dieser Schaum könnte das Risiko von Verletzungen reduzieren und potenziell Leben retten.
Und warum nicht auch für allgemeinere Verwendungen anwenden? Die Forscher erwähnen die Möglichkeit, ihn in Fahrrad- und Motorradhelme oder sogar in Sportausrüstung zu integrieren. Er kann auch die Stoßfänger von Autos bedecken, um Passagiere besser vor schweren Kollisionen zu schützen.
Über seine Fähigkeit zur Energieabsorption hinaus könnte dieser hybride Schaum auch Geräusche dämpfen und die allgemeine Akustik reduzieren. Dr. Mohammad Naraghi, Professor an der Texas A&M University und Leiter dieser Studie, erklärt: „Es wäre möglich, die Eigenschaften des Schaums zu modifizieren, um ihn zu einem hervorragenden akustischen Absorber zu machen, der bestimmte Frequenzbänder und spezifische Vibrationen abschwächt oder sogar vollständig eliminiert. Akustische Anwendungen befinden sich noch in den frühen Forschungsphasen, aber wir möchten diese Eigenschaft weiter erforschen, um den Schaum in einen leistungsfähigeren aktiven Schallschutzfilter als die aktuellen Materialien zu transformieren.“
Schließlich interessiert sich das Team für die Anpassungsmöglichkeiten, die die additive Fertigung bietet: Warum nicht maßgeschneiderte Kissen entwerfen, die sich den Bedürfnissen und der Physiologie der Person anpassen? Zum Beispiel eine festere Zone für den Nacken, aber eine weichere für die Beine.