Met 3D-printen is het gelukt een composiet te maken dat een flinke klap kan hebben. Het impact-bestendige materiaal bootst de schelp van een Roze Vleugelhoorn na.
De meeste helmen zijn tegenwoordig gemaakt van een stevige buitenlaag van glasvezel en een zachte binnenkant (meestal van polyurethaan) die de klap moet dempen. Ideaal is het niet, want bij een stevige botsing komen er toch barsten in die buitenlaag. Het zoeken is dus naar een materiaal dat heel sterk is en tegelijk voldoende taai om niet te breken.
Een zeeschelp heeft die eigenschap: hoe de zee ook met een schelp tekeer gaat, meestal overleeft hij dat ongeschonden. Een extreem voorbeeld daarvan is de Roze Vleugelhoorn of Koninginneschelp. Diens schelp bestaat uit drie lagen die op hun beurt weer zijn opgebouwd uit harde lamellen van calciumcarbonaatm, met daartussen laagjes van een schokbestendige biopolymeer. Daarnaast staan die lamellen onder verschillende hoeken om het geheel nog steviger te maken. Ontstaan er door het geweld van de golven barstjes in de schelp, dan zorgt die gelaagde structuur ervoor dat de scheur tijdig wordt gestopt.
Geïnspireerd door deze schelp ging het ingenieursteam van de afdeling werktuigbouwkunde van het Massachusetts Institute of Technologie (MIT) aan de slag met een 3D-printer. Ze fabriceerden laagjes die bestonden uit een combinatie van stevig en zacht plastic. Elk laagje had een heel specifiek patroon, waarbij de drie lagen onderling ook nog eens 90 ° zijn verdraaid, zie de tekening hieronder. Er ontstaat zo een zigzag matrix die er voor moet zorgen dat beginnende barstjes in het harde materiaal tijdig worden gestopt.
Om het materiaal te testen werd een zogeheten impact-test uitgevoerd, waarbij een pen met een kracht van 3 kN (ruim 300 kg) met snelheid van 3 m/s (10 km/h) op het materiaal neerkomt. In gewoon plastic slaat dat onmiddellijk een groot gat met grote barsten en afgebroken stukken. Het speciaal geprepareerde materiaal toonde echter nauwelijks een schrammetje, zoals de video hieronder laat zien.
Ook bekeken ze hoe de barstjes zich in het materiaal verplaatsen:
Bij de impact-test werd ook gekeken naar materiaal gemaakt van glasvezel, zoals dat nu bij helmen wordt gebruikt. Ook vergeleken hiermee blijkt het nieuwe composiet veel robuuster. Dit 'schelpmateriaal' lijkt dus veelbelovend als impact-bestendig materiaal voor valhelmen en andere stevige voorwerpen.
Openingsfoto: materiaal na een impact-test. Rest massief plastic, rechts het nieuwe 3D-geprinte composiet. Foto MIT
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.