Bulletproof 3D-printed polymer cubes using complex patterns - 3D-gedruckte Polymer-Würfel mit Tubulanen-Strukturen widerstehen Kugeln und Druck - Forschung an der Rice University

17.11.2019 23:49:58, Jürgen Auer, keine Kommentare

Was ist stabiler gegenüber Kugeln? Ein kompakter Würfel aus Metall oder Keramik? Oder ein Würfel aus Kunststoff, der allerdings "eigenwillig" aufgebaut ist?

Nicht kompakt hergestellt, sondern per 3D-Druck mit sehr komplexen und unterschiedlichen Mustern gestaltet.

Forscher an der Rice University in Houston, Texas haben solche Würfel hergestellt und sie mit Kugeln beschossen. Das Ergebnis: Gegenüber einem kompakten Kunststoffwürfel erwiesen sich die gedruckten Würfel als deutlich stabiler.
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researchers create bulletproof 3D printed cubes using complex patterns

https://www.designboom.com/technology/researchers-3d-printed-plastic-cubes-bulletproof-11-16-2019/

Bei der Rice University:

Theoretical tubulanes inspire ultrahard polymers

https://news.rice.edu/2019/11/13/theoretical-tubulanes-inspire-ultrahard-polymers/

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Die Gruppe von 12 Forschern fand heraus, daß solche Würfel den Einschlägen einer Kugel mit 5,8 Kilometern pro Sekunde = 20880 Kilometer pro Stunde deutlich besser standhalten als Würfel, die aus demselben Material kompakt hergestellt wurden.

Die 3D-gedruckten Würfel blieben fast vollständig intakt. Der kompakte Würfel hatte dagegen eine große Delle und Risse.

Die genutzten Muster beruhen auf Tubulanen. Das sind mikroskopische Strukturen aus vernetzten Kohlenstoff-Nanoröhren, die 1993 von dem Chemiker Ray Baughman und dem Physiker Douglas Galvão beschrieben wurden. Diese prognostizierten beeindruckende Eigenschaften wie eine hohe Festigkeit und eine extreme Kompressibilität. Jedes Kreuz- und Zickzackmuster wurde berechnet, um den Objekten eine unglaubliche Festigkeit zu verleihen.

Die verblüffende bzw. mit etwas Abstand doch nicht so verblüffende Feststellung:

> the assumption is that a porous structure reduces an object’s stopping power, but in practice, the complex polymer lattice in these cubes makes them able to compress and collapse to absorb the kinetic energy of an impact and contain the resulting damage so that it only affects a minimal area.

Die Vermutung sei, daß eine poröse Struktur die Widerstandsfähigkeit eines Objektes gegen Kugeln reduziert. Aber in der Praxis kann dieses komplexe Muster aus kleinen Kunststoffsträngen den Würfel deutlich haltbarer machen: Gegenüber Druck und gegenüber der kinetischen Energie, die eine eindringende Kugel mitbringt. Die Wirkung ist, daß die entstehende Beschädigung deutlich reduziert und auf einen kleineren Bereich eingeschränkt wird.

Damit kann man günstigere und wohl meist auch leichtere Polymere anstelle von Metall oder Keramik verwenden, um entsprechend haltbare Teile oder Komponenten herzustellen. So ein Material läßt sich sowohl in der Luft- und Raumfahrt, in der Architektur und für militärische Zwecke verwenden.

Ein Abstract des Originalartikels:

3D Printed Tubulanes as Lightweight Hypervelocity Impact Resistant Structures

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201904747

Dort gibt es einige kleine Videos, die zeigen, wie so ein Würfel unter Druck reagiert. Leider gibt es kein Video, das den Einschlag einer Kugel zeigt.

Unter

3D-Druckvorlagen: Forscher erstellten kugelsichere Würfel

https://de.secnews.gr/204456/3d-printed-protupa-ereunites-dimioiurgisan-aleksisfairous-kuvous/

gibt es den Hinweis, daß solche Würfel ähnlich hart wie Diamanten seien. Dasselbe findet sich im Eingangssatz bei dem Universitätstext:

> A lightweight material full of holes is nearly as hard as diamond. The mere dents left by speeding bullets prove it.

Ein leichtes Material voller Löcher ist fast so hart wie Diamant. Die bloßen Dellen von Kugeln beweisen es. In dem Text findet sich der Hinweis, daß die Art der Muster entscheidend seien. Die Größe ist derzeit durch die Größe bzw. Feinheit der 3D-Drucker limitiert.

> “The unique properties of such structures comes from their complex topology, which is scale-independent,”

Die besonderen Eigenschaften kommen von ihrer komplexen Topologie. Diese ist unabhängig von der Skalierung.

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