Das stärkste Gerüst der Welt

Leichtbau ist eine Konstruktionstechnik, bei der es um eine maximale Gewichtseinsparung geht. Das hat neben der reinen Reduktion von Masse auch ressourcenschonende Effekte. Je leichter etwa ein bewegtes Teil einer Maschine ist, desto weniger Energie wird bei der Nutzung verbraucht. Zudem wird beim Bau der Bedarf an Material reduziert und die Effizienz steigt. Das zusammen führt wiederum einer Verringerung des CO2-Ausstoßes. Leichtbau-Konstruktion basiert meist auf zwei Faktoren: besonders leichten Materialien und der Strukturierung eines Bauteils: statt massivem Material werden zum Beispiel Gitterstrukturen verwendet.

Gitterstrukturen aus hohlen Streben sind typische Metamaterialien, deren Eigenschaften nicht allein durch das Material, sondern stark durch ihre Struktur definiert werden. Sie wurden ursprünglich von der Natur inspiriert: Starke Pflanzen mit hohlen Stämmen zeigen, wie man Leichtigkeit und Stärke miteinander verbindet.

Wie Professor Ma Qian von der RMIT-Universität in Melbournde erklärt, scheiterte aber der jahrzehntelange Versuch, diese hohlen "zellulären Strukturen" in Metallen perfekt nachzubilden. Die Gründe dafür sind Probleme der Herstellbarkeit und eine Konzentration der Belastung auf die Innenbereiche der hohlen Streben, was zu vorzeitigen Ausfällen führte.

"Im Idealfall sollte die Last in allen komplexen zellulären Materialien gleichmäßig verteilt sein", erklärt Qian. "Bei den meisten Topologien ist es jedoch üblich, dass weniger als die Hälfte des Materials hauptsächlich die Druckbelastung trägt, während das größere Volumen des Materials strukturell unbedeutend ist."

Dem Professor und seinem Team scheint es nun gelungen zu sein, dieses Problem zu lösen - indem sie zwei unterschiedliche Gitterstrukturen miteinander verwoben haben. "Wir haben eine hohle röhrenförmige Gitterstruktur entworfen, in der ein dünnes Band verläuft. Diese beiden Elemente zusammen zeigen eine Stärke und Leichtigkeit, wie man sie in der Natur noch nie gesehen hat", sagt Qian. Durch die Zusammenführung von zwei komplementäre Gitterstrukturen ist es gelungen, die Last in der Strukturen gleichmäßig zu verteilen.

Mithilfe des 3D-Druckverfahrens Laser Powder Bed Fusion war es möglich, die neu entwickelte Struktur auch tatsächlich zu fertigen. Ein als Testobjekt aus Titan gedruckter Würfel zeigt eine Stabilität, die um 50 % höher liegt als bei einem Guß mit der Magnesiumlegierung WE54, die stärkste Legierung mit ähnlicher Dichte, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet wird. Die doppelte Gitterkonstruktion bedeutet auch, dass etwaige Risse entlang der Struktur abgelenkt werden, was die Stabilität weiter erhöht.

Der Hauptautor der Studie und RMIT-Doktorand Jordan Noronha sagte, dass sie diese Struktur mit verschiedenen Druckertypen im Maßstab von mehreren Millimetern bis zu mehreren Metern herstellen könnten.

Die Druckbarkeit in Verbindung mit Festigkeit, Biokompatibilität, Korrosions- und Hitzebeständigkeit machen die neue Struktur zu einem vielversprechenden Kandidaten für zahlreiche Anwendungen, von medizinischen Geräten wie Knochenimplantaten bis hin zu Flugzeug- oder Raketenteilen.  Das Team plant, das Material weiter zu verfeinern, um eine maximale Effizienz zu erreichen, und Anwendungen in Umgebungen mit höheren Temperaturen zu untersuchen.

Derzeit ist das Material bis zu 350 °C beständig, könnte aber mit hitzebeständigeren Titanlegierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder bei Feuerwehrdrohnen auch Temperaturen bis zu 600 °C standhalten.