Unordnung macht Materialien widerstandsfähiger

Das Wichtigste in Kürze

• Forscher der University of Pennsylvania und Aarhus University haben herausgefunden, dass eine gezielte Unordnung in Materialien deren Widerstandsfähigkeit gegen Risse mehr als verdoppeln kann.
• Diese Erkenntnis könnte die Nutzung mechanischer Metamaterialien, die oft mittels 3D-Druck oder Laserschneiden hergestellt werden, erheblich verbessern.
• Durch Simulationen und Labortests wurde gezeigt, dass eine optimale Balance zwischen Ordnung und Unordnung die besten Ergebnisse liefert.
• Die Forschung basiert auf natürlichen Strukturen wie Knochen und Muschelschalen, die ebenfalls Unordnung zur Erhöhung ihrer Stabilität nutzen.
• Die Ergebnisse könnten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie anderen strukturellen Bereichen verbessern.

Inspiration aus der Natur

Natürliche Materialien wie Knochen oder Perlmutt zeigen eine subtile Unordnung in ihrer Struktur. Diese Unregelmäßigkeiten helfen, Belastungen besser zu verteilen und erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Risse. Ingenieure haben sich oft von der Natur inspirieren lassen, jedoch meist mit regelmäßigen Mustern wie Wabenstrukturen. Die aktuelle Forschung zeigt, dass gezielte Unordnung eine noch bessere Lösung sein könnte.

Simulationen und Labortests

Die Forscher führten Tausende von Simulationen durch, um verschiedene Muster zu testen. Dabei wurden dreieckige Gitterstrukturen untersucht, die entweder symmetrisch oder gezielt gestört waren. Anschließend wurden physische Proben dieser Strukturen gefertigt und mechanischen Belastungstests unterzogen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine moderate Unordnung die Widerstandsfähigkeit der Materialien erheblich steigerte.

Wie Unordnung Rissbildung verhindert

Durch den Einsatz von Licht zur Analyse der mechanischen Belastung konnten die Forscher beobachten, wie sich Risse durch die Materialien bewegten. Während in symmetrischen Strukturen Risse geradlinig verliefen, wurden sie in unregelmäßigen Strukturen gestreut. Dadurch musste eine größere Fläche beschädigt werden, bevor der Riss weiterwachsen konnte, was die Gesamtfestigkeit erhöhte.

Herausforderungen bei der Umsetzung

Obwohl diese Erkenntnisse vielversprechend sind, erfordert die Herstellung solcher Materialien eine präzisere Fertigungstechnik. Die Forscher arbeiteten mit hochpräzisen Laserschneidern, um die gewünschten Muster zu erzeugen. Diese komplexeren Designs könnten die industrielle Umsetzung erschweren, bieten jedoch erhebliche Vorteile für Anwendungen, die hohe Widerstandsfähigkeit erfordern.

Potenzielle Anwendungen

Die Forschungsergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen haben. Besonders in der Luft- und Raumfahrt, wo Materialien extremen Belastungen standhalten müssen, könnten solche Strukturen die Sicherheit und Haltbarkeit verbessern. Auch in anderen Bereichen der mechanischen Konstruktion könnten diese Erkenntnisse zu widerstandsfähigeren Materialien führen.

Unsere Einschätzung

Die Studie zeigt, dass gezielte Unordnung ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung mechanischer Metamaterialien ist. Besonders für den 3D-Druck und Laserschneiden könnten diese Erkenntnisse neue Möglichkeiten eröffnen. Die Herausforderung liegt in der präzisen Fertigung solcher Strukturen, doch die potenziellen Vorteile für Industrie und Technik sind enorm.

Quellen

• Penn Engineering Blog – https://blog.seas.upenn.edu