Ein internationales Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat kürzlich bahnbrechende mechanische Metamaterialien entwickelt, die eine bemerkenswerte elastische Energiedichte bieten. Diese Metamaterialien nutzen stark verdrehte, spiralförmig verformte Stäbe, um hohe Steifigkeit zu erreichen und gleichzeitig große Mengen elastischer Energie zu speichern. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und bestätigen das Potenzial dieser neuen Materialien für zukünftige Anwendungen.
Die zentrale Kenngröße für die Energiespeicherung in Materialien ist die Enthalpie. Diese beschreibt die Energiedichte, die in einem Material gespeichert werden kann. Eine der größten Herausforderungen in der Materialwissenschaft besteht darin, hohe Steifigkeit und große rückstellbare Verformungen zu kombinieren, ohne dass es zu dauerhaften Schäden oder Verformungen kommt. Die neuartigen Metamaterialien zeichnen sich durch eine komplexe spiralförmige Verformung aus, die die interne Belastung des Materials verringert und somit die Möglichkeit für hohe Belastbarkeit ohne Materialversagen schafft.
Entwicklung und Funktionsweise
Die Forscher haben die spiralförmig verformten Stäbe in den Metamaterialien strategisch angeordnet, um eine außergewöhnlich hohe Energiedichte zu erreichen. Diese innovative Anordnung ermöglicht es den Materialien, große Energiemengen beim Torsionsprozess zu speichern, ohne dass es zu Bruch oder dauerhafter Verformung kommt. Torsion führt zu einer gleichmäßigen Spannungsverteilung im Material und macht diese neuen Metamaterialien besonders robust.
Im Vergleich zu anderen Metamaterialien zeigen diese neuen Entwicklungen eine zwei- bis 160-mal höhere Enthalpie. Dies bedeutet, dass sie in verschiedenen technischen Anwendungen wie Energiespeicherung, Stoßaufnahme und Dämpfung von großer Bedeutung sein könnten. Insbesondere werden sie für Federn, Puffer und flexible Strukturen in der Robotik sowie energieeffiziente Maschinen empfohlen. Die Anpassungsfähigkeit dieser Materialien an verschiedene Belastungen macht sie zu einem vielversprechenden Forschungsfeld.
Praktische Anwendungen und Tests
Die praktischen Tests der entwickelten Prototypen, die aus Materialien wie Gummi und Titan 3D-gedruckt wurden, haben gezeigt, dass diese Stäbe auch unter zyklischer Belastung ihre Form und Leistung behalten. Die höhere Buckling-Festigkeit im Vergleich zu konventionellen Gittersystemen stellt sicher, dass die Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen, wie etwa Stoßdämpfern in Fahrzeugen oder elastischen Gelenken in Robotersystemen, genutzt werden können.
Forschungsergebnisse belegen, dass die neuen Metamaterialien nicht nur für die industrielle Fertigung von Bedeutung sind, sondern auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Robotik eingesetzt werden können. Die Möglichkeit der elastischen Energiespeicherung und -verwaltung hilft, die Effizienz dieser Technologien erheblich zu steigern. Diese Entwicklungen repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt in der Werkstofftechnik, da sie eine vielfältige Anwendung in modernen und künftigen Ingenieursystemen bieten, wie der Bau von Vibrationsisolatoren und Leichtbaustrukturen.
