Die alte japanische Kunstform inspiriert zu ultrastarken, leichten Materialien

MIT

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Die alte japanische Kunst des Papierfaltens und -schneidens namens Kirigami wurde in der Vergangenheit zur Entwicklung von 3D-Drucktechniken, stärkerem abnehmbarem Klebeband und sogar Schuhbeschichtungen genutzt. Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten, da es neue Vorgehensweisen inspiriert, die zu überlegenen Produkten führen.

Laut einer am Dienstag veröffentlichten Pressemitteilung haben MIT-Ingenieure diese Kunstform nun genutzt, um eine Art hochleistungsfähiges, ultrastarkes und dennoch sehr leichtes Material zu entwickeln, das als Plattengitter bekannt ist.

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

Mithilfe eines modularen Konstruktionsprozesses, bei dem kleinere Komponenten geformt, gefaltet und zu 3D-Formen zusammengesetzt werden, konnten die Ingenieure Plattengitter herstellen.

Hierbei handelt es sich um zelluläre Strukturen, die aus dreidimensionalen Schnittpunkten von Platten und nicht aus Balken bestehen, wodurch sie stärker und steifer als Fachwerkgitter sind.

Ihre Herstellung mit gängigen Techniken wie dem 3D-Druck ist jedoch bekanntermaßen kompliziert. Hier kam das Kirigami ins Spiel.

Die Kunstform reicht bis ins 7. Jahrhundert zurück und wurde bisher erfolgreich zur Herstellung von Plattengittern aus teilweise gefalteten Zickzackfalten eingesetzt. Die MIT-Forscher verbesserten diesen Prozess weiter, indem sie ein übliches Origami-Faltenmuster, das sogenannte Miura-Ori-Muster, modifizierten, sodass die scharfen Spitzen der gewellten Struktur in Facetten umgewandelt wurden. Die Facetten dienen als ebene Flächen, an denen Platten ohne Bolzen oder Nieten befestigt werden können. Dies ermöglicht die Herstellung von Sandwichstrukturen.

„Plattengitter übertreffen Balkengitter in Festigkeit und Steifigkeit bei gleichem Gewicht und gleicher innerer Struktur“, sagte Parra Rubio, wissenschaftliche Mitarbeiterin am CBA.

„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.“

Das neue Verfahren ermöglicht es den Ingenieuren außerdem, die Steifigkeit, Festigkeit und den Biegemodul des neuen Materials zu steuern, indem sie diese Daten in eine Rillkarte kodieren, die zur Erstellung der Kirigami-Riffelungen verwendet wird.

Die Forscher konzipierten sogar einen modularen Montageprozess, der für größere Strukturen geeignet ist und eine einzigartige Maschine namens Zund-Schneidetisch verwendet.

„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“, sagte Gershenfeld.

Jetzt arbeiten die Forscher an benutzerfreundlichen CAD-Designtools, die speziell für diese von Kirigami inspirierten Strukturen entwickelt wurden. Bisher hat das Team aus Ingenieuren und Doktoranden ihr neues Verfahren genutzt, um große Kunstwerke aus Aluminium zu schaffen, die derzeit im MIT Media Lab ausgestellt sind.

„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“, sagte Rubio.

Die Kunstwerke sind mehrere Meter lang, ihre Herstellung dauerte dank der Effizienz des neuen Systems jedoch nur wenige Stunden.