Vom Footballfeld in die Produktionshalle

Technologischer Fortschritt entsteht oft da, wo traditionelles Material und Verfahren an ihre Grenzen gelangen und extremen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Im Hochleistungssport erfahren Technologien oft einen ersten Testlauf, bevor sie für andere Anwendungszwecke adaptiert werden.

Vom Motorsport ausgehend zum Beispiel haben viele Errungenschaften den Weg in Serienfahrzeuge gefunden. In einem weiteren Sport zeichnet sich momentan ebenfalls eine ähnliche Entwicklung ab: Im American Football forschen mehrere Einrichtungen nach Verbesserungen in der Sicherheit der Athleten; die Helme sollen noch besser gemacht werden. Zugrundeliegenden Verfahren könnten ebenfalls in ganz anderen Bereichen Anwendung finden. Helmdesign ist ein hervorragendes Beispiel für ein Design, das viele unterschiedliche Anforderungen in Einklang bringen muss. Die Beschränkungen bei Gewicht, Kosten, Haltbarkeit oder Materialdicke müssen mit einem optimalen Verhalten bei Druck und Stößen innerhalb zahlreicher unterschiedlicher Trefferbedingungen in Einklang gebracht werden. Und sie müssen die Energie vorhersagbar ableiten.

Komplexe Strukturen möglich

Mit fortgeschrittenen 3D-Druckverfahren lassen sich komplexe Materialmikrostrukturen herstellen, die kinetische Energie besser vorhersagbar und öfter ableiten können, als dies mit bisherigen Stoffen wie Polstern oder Gel möglich ist. Entsprechende Computerberechnungen vorausgesetzt, öffnet additive Fertigung die Möglichkeit für ein funktional abgestuftes Multimaterialdesign, das den Helm mit dem polsternden Element integriert. Das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in der Nähe von San Francisco startete in Kooperation mit Autodesk ein Projekt, um zu untersuchen, wie Designsoftware und 3D-Druck die Herstellung fortgeschrittener Materialien verändert. Kern der Arbeiten ist die Erforschung neuer Materialmikrostrukturen in mikroskopischer Größe. Diese werden in komplexen Anordnungen arrangiert sowie im 3D-Druckverfahren hergestellt. Sie ermöglichen somit die Herstellung von Objekten mit physischen Eigenschaften, deren Realisierung bis jetzt nur Zukunftsmusik war. Die Wissenschaftler erstellen mehrere tausend unterschiedliche strukturelle Konfigurationen von Materialmikroarchitekturen und greifen dabei auf generative Technologien zurück. Generatives Design wurde erst mit der gestiegenen Rechenleistung der letzten Jahre und der Verknüpfung von Rechenzentren über die Cloud möglich. Anwender lassen dabei den Computer zigtausend unterschiedliche Variationen berechnen. Vor Beginn der Berechnungen definieren die Anwender Parameter wie die angestrebte Form oder eventuelle Beschränkungen (Dicke, Gewicht) und geben sie in die Software ein. Weitere Ziele können – im Fall des Helmes – eine besondere Stabilität, Dämpfung oder Energieabsorption sein. Der Computer berechnet im nächsten Schritt aufgrund der Ziele und Beschränkungen die ideale Form und die optimale Materialkonstellation, der Anwender erhält verschiedenen Alternativen mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Auswahl.

Form und Material

Die Metamaterialien auf Mikroebene sind nur ein Beispiel für aktuelle Entwicklungen. Hochleistungsberechnungen am Computer modellieren neue Materialien virtuell und optimieren sie digital. So dringt die Forschungseinrichtung parallel sowohl in der additiven Fertigung als auch in der Materialkunde in neue Bereiche vor. In den letzten zwei Jahren arbeitete das ‘Additive Manufacturing Initiative’-Team von LLNL daran, mittels 3D-Druck ultraleichte und extrem steife mechanische Materialien herzustellen, die nicht in der Natur existieren. Sie verlieren auch bei geringerer Dichte nicht ihre Eigenschaften und könnten in Zukunft für Teile und Komponenten im Flugzeugbau, der Automobilbranche und sogar der Raumfahrt eingesetzt werden. Zudem sorgte die Forschungseinrichtung mit energieabsorbierenden Materialien für Aufsehen. Für die Herstellung dieses Materials wird mit auf Silikon basierender Tinte eine Polsterung entwickelt, die nach dem Druck gummiähnlich aussieht. Die Tinte wird in einer Reihe von extrem dünnen Fäden abwechselnd horizontal und vertikal aufgetragen, bis die gewünschte Höhe und Porenstruktur erreicht ist. Zudem adaptierte LLNL 3D-Druckverfahren auch für Aerogels. Indem die Wissenschaftler mittels additiver Fertigung die Porenstruktur des Gels verändern, kann es nicht nur besser transportiert werden, sondern erhält auch andere physische Eigenschaften, wie etwa eine andere Steifigkeit. In der Verbindung fortgeschrittener Verfahren zur additiven Fertigung und der Berechnung von Formen, die aus komplexen Materialverbindungen bestehen, können Objekte mit völlig neuen Eigenschaften versehen werden – wie etwa ein Footballhelm.