ENGINEERINGNET.BE - Metamaterialen worden in het laboratorium ontworpen om zo materiaaleigenschappen te bereiken die in de natuur niet voorkomen.
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Tata Steel hebben nu aangetoond dat metamaterialen op basis van niet-elastische materialen ideale schokdempers kunnen zijn.
De nieuwe metamaterialen werden vervaardigd met een metaal-3D-printer, waarna de onderzoekers de superieure schokabsorptie van de ontwerpen aan uitgebreide crash tests onderwierpen.
Hiervoor bliezen ze een tientallen jaren oude hydraulische breekmachine van het Technologiecentrum van de Amsterdamse universiteit nieuw leven in.
Ook gebruikten ze een nieuw gekochte testmachine die enorme krachten kan uitoefenen en een drie verdiepingen tellende industriële valtoren van Tata Steel Nederland.
De nieuw ontworpen metamaterialen vormen een delicaat evenwicht. Enerzijds is er de plasticiteit van het basismateriaal, anderzijds de flexibiliteit van de geometrische structuren die ermee worden gemaakt. Samen bepalen die twee hoe gemakkelijk het metamateriaal onder druk meegeeft.
Het resultaat zijn metamaterialen die sequentieel vloeiend knikken: ze verbuigen laag voor laag als er kracht op wordt uitgeoefend. Dit unieke, gecontroleerde knikken betekent dat het metamateriaal de impactenergie efficiënt kan afvoeren en toch zware lasten kan dragen.
Door het laag-voor-laag knikken kunnen de schokdempers meerdere keren worden gebruikt, totdat alle lagen zijn gebruikt, en kunnen ze zelfs weer worden uitgerekt voor een tweede levenscyclus.
Dit staat in schril contrast met traditionele schokdempers, waarvan de kreukelzones meestal zijn gemaakt van metalen platen of cilinders. Zodra zulke schokdempers zijn gekreukt, verliezen ze hun oorspronkelijke stijfheid en sterkte, en kunnen ze niet meer worden gebruikt om enige belasting te dragen.
De sleutel tot de nieuwe metamaterialen ligt in hun ontwerp en in het basismateriaal dat wordt gebruikt. De nieuwe klasse sequentieel knikkende metamaterialen kan worden gemaakt van elk elastoplastisch materiaal, een categorie waar de meeste vaste stoffen onder vallen.
Ook kunnen ze massaal worden geproduceerd en is het structurele ontwerp aan te passen aan een breed scala aan toepassingen.
Bernard Ennis van Tata Steel Nederland: ‘Met behulp van deze technologie kunnen we een revolutie teweegbrengen in het dempen van schokken in toepassingen in de automobiel-, lucht- en ruimtevaart- en bouwsectoren, en precies op maat gemaakte materialen op allerlei grootteschalen ontwerpen.’
