MIT-Ingenieure nutzen Kirigami, um ultrastarke, leichte Strukturen herzustellen

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Zelluläre Feststoffe sind Materialien, die aus vielen zusammengepackten Zellen bestehen, beispielsweise eine Wabe. Die Form dieser Zellen bestimmt maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Materials, einschließlich seiner Steifigkeit oder Festigkeit. Knochen beispielsweise sind mit einem natürlichen Material gefüllt, das sie leicht, aber dennoch steif und stark macht.

Inspiriert durch Knochen und andere zellulare Feststoffe, die in der Natur vorkommen, haben Menschen dasselbe Konzept zur Entwicklung architektonischer Materialien genutzt. Durch Ändern der Geometrie der Elementarzellen, aus denen diese Materialien bestehen, können Forscher die mechanischen, thermischen oder akustischen Eigenschaften des Materials individuell anpassen. Architektonische Materialien werden in vielen Anwendungen eingesetzt, vom stoßdämpfenden Verpackungsschaum bis hin zu wärmeregulierenden Heizkörpern.

Mithilfe von Kirigami, der alten japanischen Kunst des Papierfaltens und -schneidens, haben MIT-Forscher nun eine Art hochleistungsfähiges Architekturmaterial namens Plattengitter hergestellt, und zwar in einem viel größeren Maßstab, als es Wissenschaftlern bisher durch additive Fertigung möglich war. Mit dieser Technik können sie diese Strukturen aus Metall oder anderen Materialien mit individuellen Formen und speziell maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften herstellen.

„Dieses Material ist wie Stahlkork. Es ist leichter als Kork, aber mit hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit“, sagt Professor Neil Gershenfeld, der das Center for Bits and Atoms (CBA) am MIT leitet und leitender Autor einer neuen Arbeit zu diesem Ansatz ist.

Die Forscher entwickelten einen modularen Bauprozess, bei dem viele kleinere Komponenten geformt, gefaltet und zu 3D-Formen zusammengesetzt werden. Mit dieser Methode stellten sie ultraleichte und ultrastarke Strukturen und Roboter her, die sich unter einer bestimmten Belastung verändern und ihre Form behalten können.

Da diese Strukturen leicht, aber stark und steif sind und relativ einfach in größeren Maßstäben in Massenproduktion hergestellt werden können, könnten sie besonders für Architektur-, Flugzeug-, Automobil- oder Luft- und Raumfahrtkomponenten nützlich sein.

Neben Gershenfeld sind die Co-Hauptautoren Alfonso Parra Rubio, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am CBA, und Klara Mundilova, eine Doktorandin der Elektrotechnik und Informatik am MIT; zusammen mit David Preiss, einem Doktoranden am CBA; und Erik D. Demaine, ein MIT-Professor für Informatik. Die Forschungsergebnisse werden auf der ASME-Konferenz „Computers and Information in Engineering“ vorgestellt.

Herstellung durch Falten

Architektonische Materialien wie Gitter werden häufig als Kerne für eine Art Verbundmaterial verwendet, das als Sandwichstruktur bezeichnet wird. Um sich eine Sandwichstruktur vorzustellen, stellen Sie sich einen Flugzeugflügel vor, bei dem eine Reihe sich kreuzender, diagonaler Balken einen Gitterkern bilden, der zwischen einer oberen und einer unteren Platte eingeklemmt ist. Dieses Fachwerkgitter weist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf und ist dennoch sehr leicht.

Plattengitter sind zelluläre Strukturen, die aus dreidimensionalen Schnittpunkten von Platten und nicht aus Balken bestehen. Diese Hochleistungsstrukturen sind sogar stärker und steifer als Fachwerkgitter, aber ihre komplexe Form macht ihre Herstellung mit gängigen Techniken wie dem 3D-Druck schwierig, insbesondere für groß angelegte technische Anwendungen.

Die MIT-Forscher meisterten diese Herstellungsherausforderungen mithilfe von Kirigami, einer Technik zur Herstellung dreidimensionaler Formen durch Falten und Schneiden von Papier, deren Geschichte auf japanische Künstler im 7. Jahrhundert zurückgeht.

Kirigami wurde zur Herstellung von Plattengittern aus teilweise gefalteten Zickzackfalten verwendet. Um jedoch eine Sandwichstruktur herzustellen, müssen an der Ober- und Unterseite dieses gewellten Kerns flache Platten an den durch die Zick-Zack-Falten gebildeten Engstellen angebracht werden. Dies erfordert häufig starke Klebstoffe oder Schweißtechniken, die die Montage langsam, kostspielig und schwierig zu skalieren machen können.

Die MIT-Forscher modifizierten ein übliches Origami-Faltenmuster, das sogenannte Miura-Ori-Muster, sodass die scharfen Spitzen der gewellten Struktur in Facetten umgewandelt wurden. Die Facetten, ähnlich denen eines Diamanten, bieten ebene Flächen, an denen die Platten einfacher mit Bolzen oder Nieten befestigt werden können.

„Plattengitter übertreffen Balkengitter in Festigkeit und Steifigkeit bei gleichem Gewicht und gleicher innerer Struktur“, sagt Parra Rubio. „Das Erreichen der HS-Obergrenze für theoretische Steifigkeit und Festigkeit wurde durch nanoskalige Produktion mittels Zwei-Photonen-Lithographie nachgewiesen. Der Aufbau von Plattengittern war so schwierig, dass auf der Makroskala nur wenig Forschung betrieben wurde. Wir glauben, dass Falten ein Weg zur einfacheren Nutzung dieser Art von Plattenstruktur aus Metall ist.“

Anpassbare Eigenschaften

Darüber hinaus können die Forscher durch die Art und Weise, wie sie das Muster entwerfen, falten und schneiden, bestimmte mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Biegemodul (die Tendenz eines Materials, einer Biegung zu widerstehen) anpassen. Sie kodieren diese Informationen sowie die 3D-Form in einer Rillkarte, die zur Erstellung dieser Kirigami-Riffelungen verwendet wird.

Basierend auf der Art und Weise, wie die Falten gestaltet sind, können beispielsweise einige Zellen so geformt werden, dass sie beim Zusammendrücken ihre Form behalten, während andere so verändert werden können, dass sie sich biegen. Auf diese Weise können die Forscher genau steuern, wie sich verschiedene Bereiche der Struktur beim Zusammendrücken verformen.

Da die Flexibilität der Struktur kontrolliert werden kann, könnten diese Wellen in Robotern oder anderen dynamischen Anwendungen mit Teilen, die sich bewegen, verdrehen und biegen, verwendet werden.

Um größere Strukturen wie Roboter herzustellen, führten die Forscher einen modularen Montageprozess ein. Sie produzieren in Massen kleinere Faltenmuster und fügen sie zu ultraleichten und ultrastarken 3D-Strukturen zusammen. Kleinere Strukturen weisen weniger Falten auf, was den Herstellungsprozess vereinfacht.

Mithilfe des angepassten Miura-ori-Musters erstellen die Forscher ein Faltenmuster, das die gewünschte Form und Struktureigenschaften ergibt. Dann verwenden sie eine einzigartige Maschine – einen Zund-Schneidetisch –, um eine flache Metallplatte zu ritzen, die sie in die 3D-Form falten.

„Um Dinge wie Autos und Flugzeuge herzustellen, wird viel in die Werkzeuge investiert. Dieser Herstellungsprozess erfolgt ohne Werkzeug, wie beim 3D-Druck. Aber im Gegensatz zum 3D-Druck kann unser Verfahren die Grenzen für Rekordmaterialeigenschaften setzen“, sagt Gershenfeld.

Mit ihrer Methode stellten sie Aluminiumstrukturen mit einer Druckfestigkeit von mehr als 62 Kilonewton, aber einem Gewicht von nur 90 Kilogramm pro Quadratmeter her. (Kork wiegt etwa 100 Kilogramm pro Quadratmeter.) Ihre Strukturen waren so stark, dass sie dreimal so viel Kraft aushalten konnten wie eine typische Aluminiumwellung.

Die vielseitige Technik könnte für viele Materialien wie Stahl und Verbundwerkstoffe eingesetzt werden und eignet sich daher gut für die Herstellung leichter, stoßdämpfender Komponenten für Flugzeuge, Autos oder Raumfahrzeuge.

Allerdings stellten die Forscher fest, dass ihre Methode schwer zu modellieren sein kann. Daher planen sie, in Zukunft benutzerfreundliche CAD-Designtools für diese Kirigami-Plattengitterstrukturen zu entwickeln. Darüber hinaus wollen sie Methoden erforschen, um den Rechenaufwand für die Simulation eines Entwurfs zu reduzieren, der die gewünschten Eigenschaften liefert.

„Kirigami-Wellungen bergen ein spannendes Potenzial für den architektonischen Bau“, sagt James Coleman MArch '14, SM '14, Mitbegründer des Design-for-Fertigungs- und Installationsunternehmens SumPoint und ehemaliger Vizepräsident für Innovation und Forschung und Entwicklung bei Zahner, der nicht beteiligt war mit dieser Arbeit. „Nach meiner Erfahrung bei der Produktion komplexer Architekturprojekte sind die derzeitigen Methoden zur Konstruktion großflächiger gekrümmter und doppelt gekrümmter Elemente materialintensiv und verschwenderisch und werden daher für die meisten Projekte als unpraktisch erachtet. Während die Technologie der Autoren neuartige Lösungen für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie bietet, glaube ich, dass ihre zellbasierte Methode auch erhebliche Auswirkungen auf die gebaute Umwelt haben kann. Die Möglichkeit, verschiedene Plattengittergeometrien mit spezifischen Eigenschaften herzustellen, könnte leistungsfähigere und ausdrucksstärkere Gebäude mit weniger Material ermöglichen. Adieu schwere Stahl- und Betonkonstruktionen, hallo leichte Gitter!“

Parra Rubio, Mundilova und andere MIT-Absolventen nutzten diese Technik auch, um drei großformatige, gefaltete Kunstwerke aus Aluminiumverbundwerkstoffen zu schaffen, die im MIT Media Lab ausgestellt sind. Obwohl jedes Kunstwerk mehrere Meter lang ist, dauerte die Herstellung der Strukturen nur wenige Stunden.

„Letztendlich ist die künstlerische Arbeit nur aufgrund der mathematischen und technischen Beiträge möglich, die wir in unseren Arbeiten zeigen. Aber wir wollen die ästhetische Kraft unserer Arbeit nicht außer Acht lassen“, sagt Parra Rubio.

Diese Arbeit wurde teilweise durch das Center for Bits and Atoms Research Consortia, ein AAUW International Fellowship und ein GWI Fay Weber Grant finanziert.

Mithilfe von Techniken, die von Kirigami, einer japanischen Papierschneidetechnik, inspiriert sind, haben MIT-Forscher eine „neue Methode zur Herstellung von Plattengittern entwickelt – Hochleistungsmaterialien, die für Automobil- und Luft- und Raumfahrtdesigns nützlich sind“, berichtet Andrew Paul für Popular Science. „Die mit Kirigami verstärkten Plattengitter hielten dreimal so viel Kraft stand wie herkömmliche Aluminium-Wellkonstruktionen“, schreibt Paul. „Solche Variationen sind äußerst vielversprechend für leichte, stoßdämpfende Abschnitte, die in Autos, Flugzeugen und Raumfahrzeugen benötigt werden.“

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