Inspiriert von Knochen und anderen zellulären Feststoffen in der Natur haben Menschen dasselbe Konzept zur Entwicklung von Baumaterialien genutzt. Durch Ändern der Geometrie der Zellen, aus denen diese Materialien bestehen, können Forscher die mechanischen, thermischen oder akustischen Eigenschaften des Materials anpassen. Baustoffe werden in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt, vom stoßdämpfenden Verpackungsschaum bis zum wärmeregulierenden Heizkörper.

Mithilfe von Kirigami, der japanischen Kirigami- und Origami-Kunst, haben MIT-Forscher ultrastarke, leichte Materialien mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Flexibilität entwickelt. Diese Materialien können in Flugzeugen, Autos oder Raumfahrzeugen verwendet werden. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern


MIT-Forscher haben ein übliches Origami-Faltenmuster so modifiziert, dass die scharfen Spitzen der gewellten Struktur zu Facetten werden. Diese Facetten bieten, wie die Facetten eines Diamanten, eine flache Oberfläche, an der die Platte einfacher mit Bolzen oder Nieten befestigt werden kann. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern


MIT-Forscher haben Kirigami, die alte japanische Kunst des Origami und Kirigami, genutzt, um ein leistungsstarkes Strukturmaterial namens Gitter in einem Maßstab zu schaffen, der weit über das hinausgeht, was Wissenschaftler bisher durch additive Fertigung erreichen konnten. Diese Technologie ermöglicht es ihnen, diese Strukturen aus Metall oder anderen Materialien mit maßgeschneiderten Formen und speziell abgestimmten mechanischen Eigenschaften herzustellen.

„Dieses Material ähnelt Stahlkork. Es ist leichter als Kork, weist aber eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf“, sagte Professor Neil Gershenfeld, Direktor des Center for Bits and Atoms (CBA) des MIT und leitender Autor einer neuen Arbeit zu diesem Ansatz.

Die Forscher entwickelten einen modularen Herstellungsprozess, bei dem viele kleinere Teile geformt, gefaltet und zu dreidimensionalen Formen zusammengesetzt werden. Mit diesem Ansatz schaffen sie ultraleichte, ultrastarke Strukturen und Roboter, die sich unter bestimmten Belastungen verformen und ihre Form beibehalten können.


Die Forscher betätigten die gewellte Struktur, indem sie Stahldrähte auf nachgiebigen Oberflächen spannten und sie dann mit einem System aus Riemenscheiben und Motoren verbanden, wodurch sie sich in beide Richtungen biegen konnten. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern

Da diese Strukturen leicht, stark und steif sind und relativ einfach in Massenproduktion herzustellen sind, eignen sie sich besonders für Bau-, Flugzeug-, Automobil- und Luft- und Raumfahrtkomponenten.

Gemeinsam mit Gershenfeld schreiben die Co-Erstautoren, der CBA-Forschungsassistent Alfonso Parra Rubio und die MIT-Absolventin für Elektrotechnik und Informatik Klara Mundilova sowie der CBA-Absolvent David Preiss und der MIT-Informatikprofessor Erik D. Demaine das Papier. Die Forschungsergebnisse wurden auf der Engineering Computers and Information Conference der American Society of Mechanical Engineers vorgestellt.

Strukturmaterialien wie Gitter werden häufig als Kern eines Verbundmaterials verwendet, das als Sandwichstruktur bezeichnet wird. Um sich eine Sandwichstruktur vorzustellen, stellen Sie sich einen Flugzeugflügel vor, bei dem eine Reihe sich kreuzender Diagonalträger einen Gitterkern bilden, der zwischen Ober- und Unterplatten eingelegt ist. Diese Fachwerkstruktur weist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf und ist dennoch sehr leicht.

Ein Plattengitter ist eine Wabenstruktur, die aus dreidimensionalen Schnittpunkten von Platten und nicht von Balken besteht. Die Festigkeit und Steifigkeit dieser Hochleistungsstrukturen übertrifft sogar die von Fachwerkgittern, aber aufgrund ihrer komplexen Formen ist ihre Herstellung mit gängigen Techniken wie dem 3D-Druck eine Herausforderung, insbesondere bei groß angelegten technischen Anwendungen.

MIT-Forscher haben diese Herstellungsherausforderungen mit Tungpapier gemeistert, einer Technik zum Falten und Schneiden von Papier, um 3D-Formen zu erstellen, die auf japanische Künstler des 7. Jahrhunderts zurückgeht.


Mit ihrer Methode schufen die Forscher eine Aluminiumstruktur mit einer Druckfestigkeit von über 62 Kilonewton, die aber nur 90 Kilogramm pro Quadratmeter wiegt. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern

Kirigami wurde zur Herstellung von Tafeln mit teilweise gefalteten Zickzackfalten verwendet. Um jedoch eine Sandwichstruktur herzustellen, müssen flache Bleche oben und unten am Wellkern und dann an den durch die Fischgrätenfalten entstehenden Engstellen befestigt werden. Dies erfordert oft starke Klebstoffe oder Schweißtechniken, was die Montage langsam, teuer und schwer skalierbar macht.

MIT-Forscher haben ein übliches Origami-Faltenmuster so modifiziert, dass die scharfen Spitzen der gewellten Struktur zu Facetten werden. Diese Facetten bieten, wie die Facetten eines Diamanten, eine ebene Oberfläche, auf der die Platten einfacher mit Bolzen oder Nieten befestigt werden können.

„Plattengitter übertreffen Balkengitter hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit, während Gewicht und innere Struktur konstant bleiben“, sagte ParraRubio. „Durch den Einsatz der Zwei-Photonen-Lithographie für die Produktion im Nanomaßstab haben theoretische Steifigkeit und Festigkeit die H-S-Obergrenze erreicht. Plattengitter sind sehr schwierig zu konstruieren und wurden daher auf der Makroskala nur unzureichend untersucht. Wir glauben, dass Faltung ein Weg ist, die Nutzung solcher plattenähnlichen Strukturen aus Metall zu erleichtern.“

Darüber hinaus konnten die Forscher durch die Art und Weise, wie sie die Muster entwarfen, falteten und schnitten, bestimmte mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Biegemodul (die Tendenz eines Materials, einer Biegung zu widerstehen) anpassen. Sie kodierten diese Informationen zusammen mit den dreidimensionalen Formen in Faltkarten, mit denen sie diese gelierten Papierwellen erzeugten.

Je nachdem, 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 unter Druck verformen.

Da die Flexibilität der Struktur kontrolliert werden kann, könnten diese Wellen in Robotern oder anderen dynamischen Anwendungen mit beweglichen, verdrehten und gebogenen Teilen verwendet werden.

Um große Strukturen wie Roboter herzustellen, nutzen Forscher einen modularen Montageprozess. Sie produzieren kleinere Faltenmuster in Massenproduktion und fügen sie zu ultraleichten, ultrastarken dreidimensionalen Strukturen zusammen. Die kleinere Struktur weist weniger Falten auf, was den Herstellungsprozess vereinfacht.

Mithilfe eines modifizierten Miura-ori-Musters erstellten die Forscher ein Faltenmuster, das die gewünschte Form und Struktureigenschaften erzeugt. Anschließend verwendeten sie eine einzigartige Maschine – einen Zund-Schneidetisch –, um flache Metallbleche auszuschneiden und sie in dreidimensionale Formen zu falten.

„Um Produkte wie Autos und Flugzeuge herzustellen, muss man viel in Formen investieren. Dieser Herstellungsprozess erfordert keine Werkzeuge wie der 3D-Druck. Aber im Gegensatz zum 3D-Druck kann unser Verfahren die Grenzen der Aufzeichnung von Materialeigenschaften setzen“, sagte Gershenfeld.

Mit ihrer Methode schufen sie eine Aluminiumstruktur mit einer Druckfestigkeit von über 62 Kilonewton, aber einem Gewicht von nur 90 Kilogramm pro Quadratmeter. (Kork wiegt etwa 100 Kilogramm pro Quadratmeter) Ihre Struktur ist sehr stabil und hält der dreifachen Kraft von gewöhnlichen Aluminiumwellungen stand.

Diese vielseitige Technologie kann in einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Stahl und Verbundwerkstoffen, eingesetzt werden und eignet sich daher ideal für die Herstellung leichter stoßdämpfender Komponenten für Flugzeuge, Autos oder Raumfahrzeuge.

Allerdings stellten die Forscher fest, dass ihr Ansatz schwierig zu modellieren sein könnte. Daher planen sie, in Zukunft benutzerfreundliche CAD-Designtools für diese Gitterstrukturen zu entwickeln. Darüber hinaus hoffen sie, Methoden zu erforschen, um den Rechenaufwand für die Simulation der für ihre Entwürfe erforderlichen Leistung zu reduzieren.

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

„Letztendlich ist das Kunstwerk nur aufgrund der mathematischen und technischen Beiträge möglich, die wir in unserer Arbeit demonstrieren. Aber wir wollen auch die ästhetische Kraft unserer Arbeit nicht aus den Augen verlieren“, sagte ParraRubio.