Faszination Technik Mit Kirigami leichte und superfeste Strukturen erzeugen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie eine uralte japanische Papierfalte- und -schneidetechnik zur Alternative von klassischen Gitterstrukturen wird.

Gitterstrukturen dienen als leichte, Festigkeit gebende Kernschichten von Sandwichmaterialien. Sie bestehen aus sich kreuzenden diagonalen Stegen, die sich zwischen einer Ober- und Unterschicht befinden. Diese Fachwerkgitter werden meist im 3D-Druck additiv (mit)-gefertigt.

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun mithilfe von Kirigami, einer alten japanischen Kunst des Faltens und Schneidens von Papier, ein hochleistungsfähiges Plattengitter aus Aluminium in einer Größe hergestellt, die bisher durch additive Fertigung nicht möglich war. Diese Technik ermöglicht es ihnen, Kernschichten aus Metall oder anderen Materialien mit individuellen Formen und speziellen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Diese Plattengitter sind zelluläre Strukturen, die aus dreidimensionalen, sich überschneidenden Platten und nicht aus Stegen bestehen. Nach Angaben des MIT sind diese Strukturen noch fester und steifer als Fachwerkgitter.

Plattengitter aus modifiziertem Miura-ori-Muster

Für das Plattengitter modifizierten die Forscher ein gängiges Origami-Faltenmuster, das als Miura-ori-Muster bekannt ist, so, dass die scharfen Spitzen der Struktur abgeflacht werden. An ihnen können die Ober- und Unterschicht des Sandwichmaterials mit Schrauben oder Nieten befestigt werden. Auf starke Klebstoffe oder Schweißtechniken kann so verzichtet werden.

Je nachdem, wie die Forscher das Muster falten und schneiden, können bestimmte mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Biegemodul eingestellt werden. So können beispielsweise einige Zellen so geformt werden, dass sie ihre Form behalten, wenn sie komprimiert werden, während andere so modifiziert werden können, dass sie sich biegen. Auf diese Weise können die Forscher genau steuern, wie sich verschiedene Bereiche der Struktur beim Zusammendrücken verformen.

Modularer Montageprozess für größere Strukturen

Um größere Strukturen herzustellen, führten die Forscher einen modularen Montageprozess ein. Denn kleinere Strukturen haben weniger Falten, was den Herstellungsprozess vereinfacht. Sie produzierten in Massen kleinere Plattengitter und fügten sie zu ultraleichten und ultrastarken 3D-Strukturen zusammen. Mit ihrem Verfahren stellten die MIT-Ingenieure Aluminiumstrukturen mit einer Druckfestigkeit von mehr als 62 Kilonewton bei einem Gewicht von nur 90 Kilogramm pro Quadratmeter her. Zum Vergleich: Kork wiegt etwa 100 Kilogramm pro Quadratmeter. Ihre Strukturen waren so stark, dass sie dreimal so viel Kraft aushalten konnten wie eine typische Aluminium-Gitterstruktur.

CAD- und Simulationswerkzeuge in Entwicklung

Die Forscher stellten jedoch fest, dass ihre Methode schwierig zu modellieren ist. Für die Zukunft planen sie daher, benutzerfreundliche CAD-Konstruktionswerkzeuge für diese Kirigami-Plattengitterstrukturen zu entwickeln. Darüber hinaus wollen sie Methoden erforschen, um den Rechenaufwand für die Simulation eines Entwurfs zu reduzieren, der die gewünschten Eigenschaften liefert.

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