Erst diese Woche haben Forscher des Dartmouth College eine 3D-druckbare intelligente Tinte entwickelt, die Form und Farbe ändern kann. Sie unterscheiden sich von anderen Teams, die die 4D-Drucktechnologie verwenden, um neue Dinge zu tun. Suong Van Hoa, Professor am Department of Mechanical, Industrial and Aerospace Engineering der Concordia University, nutzt die 4D-Drucktechnologie, um Verbundwerkstoffe herzustellen, die sich ohne Verwendung von Formen selbst biegen können.

„Der 4D-Druck ermöglicht es uns, gebogene Verbundstrukturen herzustellen, ohne dass gebogene Formen hergestellt werden müssen“, sagte Hoa. „Meine wichtigste Erkenntnis ist, dass Menschen gebogene Verbundmaterialien herstellen können – lange Endlosfasern mit hohen mechanischen Eigenschaften, die schneller und wirtschaftlicher sein können.“

Im Allgemeinen sind bei der Herstellung von Komponenten wie Verbundblattfedern, die leichte Stoßdämpfer in Fahrzeugen sind, mehrere Schritte erforderlich. Um S-förmige Teile herzustellen, müssen S-förmige Formen aus festen Materialien wie Metall hergestellt werden. Das mit dem Harzsystem vorimprägnierte Armierungsgewebe wird dann auf die Form gelegt, um ein Verbundteil zu bilden. Hoa sagte jedoch, dass durch den Einsatz der 4D-Drucktechnologie die ersten Schritte zum Bau komplexer Formen entfallen können.

„Der 4D-Druck von Verbundwerkstoffen nutzt die Schrumpfung des Matrixharzes und den Unterschied der thermischen Schrumpfungskoeffizienten von Schichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen und aktiviert so Formänderungen während des Härtens und Abkühlens“, sagte er. „Dieses Verhalten kann genutzt werden, um Teile mit gekrümmten Geometrien herzustellen, ohne dass komplexe Formen benötigt werden. Daher kann die Herstellung von gekrümmten Formen schnell und wirtschaftlich sein. Der Grad der Formänderung hängt jedoch von den Materialeigenschaften, der Faserorientierung und der Stapelung ab. Schichtenfolge und Herstellungsprozess."

Ein Teil von Hoas Forschung umfasst die Überprüfung der anisotropen Eigenschaften der Verbundschicht. Anisotropie ist das Verhalten eines Materials, wenn es Belastungen entlang verschiedener Achsen ausgesetzt wird. Die anisotrope Eigenschaft eines Materials ist ein Maß dafür, wie es sich in Bezug auf andere Faktoren ändert. Zum Beispiel kann die Schrumpfung des Harzes eine Materialverformung verursachen oder Temperaturänderungen können eine Faserausdehnung oder -kontraktion verursachen. Laut Hoa ist das Verständnis und die Kontrolle dieser Veränderungen der Schlüssel zur Herstellung gebogener Laminate für Biegeformen.

Er sagte: "Anisotropie wurde in der Vergangenheit immer als Belastung angesehen. Jetzt sehe ich sie als eine Bereicherung."

Hoa glaubt, dass die Technologie auf die Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche angewendet werden kann.

„Eine weitere Anwendung sind Weltraumstrukturen wie Satelliten, die extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind“, sagte er. "Die Struktur kann tagsüber (bei hohen Temperaturen) geöffnet werden, um Sonnenenergie zu sammeln, und nachts geschlossen werden, um das Innere zu schützen."

Im vergangenen Jahr wurde Hoa als erster Kanadier zum Mitglied der American Composites Association ernannt. Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte er in einem Papier mit dem Titel „herausragende Beiträge zur Verbundwerkstoff-Community durch Forschung, Praxis, Ausbildung und Service“.

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