3D tisk promění pěnu v materiál pohlcující nárazy 10x účinněji

Vědci z Texas A&M University a DEVCOM Army Research Laboratory přišli s inovativním řešením pro zvýšení absorpce nárazů. Vyvinuli hybridní super pěnu, která dokáže pohltit až desetkrát více energie než konvenční polstrování. Tento materiál kombinuje běžnou pěnu s plastovými sloupky vytištěnými na 3D tiskárně, které jsou do pěny vloženy.

Vnitřní kostra pro vyšší odolnost

Tyto flexibilní sloupky, známé jako vzpěry, tvoří vnitřní kostru, která pěnu zpevňuje a zlepšuje její schopnost zvládat tlak a nárazy. Tento přístup proměňuje běžný a levný materiál na laditelný kompozit navržený tak, aby odolával výrazně vyšším silám, přičemž zůstává lehký. Výzkumníci uvádějí, že systém by mohl vylepšit ochranné vybavení, bezpečnostní systémy vozidel a dokonce i běžné produkty, jako jsou polštáře.

Inovativní výrobní proces

Práce byla vedena Dr. Mohammadem Naraghim z Texas A&M College of Engineering ve spolupráci s Dr. Ericem Wetzelem z Army Research Laboratory. Pěna se tradičně používá v polstrování a ochranném vybavení díky svým malým vzduchovým kapsám, které se pod tlakem zhroutí a rozptýlí energii. Tradiční pěny však mají náhodné vnitřní struktury, což omezuje jejich účinnost při pohlcování nárazů. Inženýrské mřížkové materiály nabízejí lepší kontrolu, ale jsou drahé a obtížně vyrobitelné ve velkém měřítku. K překlenutí této mezery tým vyvinul techniku nazvanou In-Foam Additive Manufacturing (IFAM). Tento proces vytváří síť elastických plastových vzpěr přímo uvnitř pěny pomocí počítačem řízeného 3D tisku.

Laditelné vlastnosti a synergie materiálů

IFAM je jednoduchý, počítačem řízený výrobní proces, který umožňuje vytvořit elastomerní kostru uvnitř konvenční otevřené pěny. Úpravou průměru, rozestupů a úhlů vzpěr mohou výzkumníci ladit mechanické vlastnosti materiálu. Hybridní struktura umožňuje pěně a vzpěrám spolupracovat při stlačení materiálu. Během počátečního stlačení pěna stabilizuje vzpěry a brání jejich příliš rychlému prohnutí. Jak se tlak zvyšuje, vzpěry distribuují sílu do okolní pěny, rozkládají zátěž a umožňují materiálu absorbovat více energie. „Je to kouzlo synergie,“ říká Naraghi. „Symbiotický kompozit mezi pěnou a vzpěrami.“

Budoucnost v ochraně a dopravě

Projekt byl podpořen americkou armádou, která má zájem o vylepšené materiály pohlcující energii pro ochranné vybavení. Energeticky absorbující materiály jsou klíčové pro širokou škálu armádních aplikací, včetně balistických přileb a sedáků odolných proti výbuchu. Vědci se domnívají, že hybridní pěna by mohla výrazně zlepšit ochranu v přilbách používaných vojáky, které musí nejen zastavit projektily, ale také tlumit nárazy z pádů a kolizí. Materiál přidává jen minimální váhu, což by mohlo nabídnout lepší ochranu bez snížení mobility vojáků v terénu. Kromě obranných aplikací by mohl být stejný koncept adaptován pro komerční přilby používané při cyklistice, motocyklování a sportu. Výzkumníci také zkoumají jeho využití ve vozidlech. Hybridní pěna by mohla být umístěna do interiérů automobilů nebo nárazníků, aby pomohla absorbovat síly při kolizích a zlepšit ochranu cestujících. Materiál by se mohl objevit i v spotřebních produktech, jako jsou matrace a polštáře. Změnou uspořádání vzpěr by mohly být různé zóny sedáku nebo matrace přizpůsobeny různým úrovním pevnosti a pohodlí. Vědci také zkoumají, zda by vnitřní struktura mohla pomoci absorbovat zvuk a vibrace, což by potenciálně zlepšilo kontrolu hluku ve vozidlech a budovách. Studie byla publikována v časopise Composite Structures.