Metamateriały drukowane w technologii 3D mogą na nowo zdefiniować bezpieczeństwo samochodów

Tworzenie projektów metalowych

Metalurgia to technologia, która nieustannie ewoluuje od czasów prymitywnego rzemiosła metalowego wczesnej cywilizacji. Do niedawna większość obróbki metali opierała się na technikach takich jak formowanie (wytapianie metalu w puste przestrzenie) lub kucie (nadawanie metalowi odpowiedniego kształtu).

Pojawienie się technologii druku 3D, która umożliwia przetwarzanie materiałów metalowych, stworzyło zupełnie nową metodę produkcji elementów metalowych i dopiero zaczynamy odkrywać jej potencjał.

Na przykład, nowe stopy tytanu, druk 3D z wykorzystaniem wodorulub druk geometryczny pochłaniający drgania.

Naukowcy z Uniwersytetu w Glasgow (Wielka Brytania), Politechniki w Marche (Włochy) i Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (Włochy) stworzyli nowy rodzaj skręconych metamateriałów, które mogą zastąpić metodę produkcji amortyzatorów w samochodach, wykorzystując w tym celu druk 3D.

Opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie „Advanced Materials”¹, pod tytułem "Adaptacyjne skręcające metamateriały".

Wbudowana amortyzacja wstrząsów

Kiedy samochody były budowane po raz pierwszy, nie miały praktycznie żadnej ochrony przed zderzeniami. Wówczas wczesne amortyzatory, takie jak crash boxy i zderzaki, zapewniały pojedynczą reakcję siły i przemieszczenia dla wszystkich scenariuszy zderzeń występujących podczas kolizji pojazdów.

Współczesne samochody są tak zbudowane, że w razie zderzenia ich rama pochłania większość energii kinetycznej, ograniczając ilość energii przekazywanej pasażerom.

Rosnąca potrzeba spełniania coraz bardziej rygorystycznych i często sprzecznych norm bezpieczeństwa przesunęła uwagę w stronę optymalizacji konstrukcyjnej elementów ofiarnych, co przyczyniło się do rozwoju filozofii projektowania mechanicznego.

To innowacyjne rozwiązanie, a także upowszechnienie się pasów bezpieczeństwa, przyczyniły się w ciągu ostatnich dziesięcioleci do zmniejszenia liczby ofiar śmiertelnych wypadków samochodowych.

Źródło: Haug Farrar

Udało się to osiągnąć głównie dzięki modyfikacji geometrii konstrukcji lub połączeniu różnych materiałów w ramach sprawdzonych pochłaniaczy energii, co pozwoliło na lepsze rozpraszanie energii.

Jednakże pochłanianie energii ma tendencję do bycia stałym, bez względu na scenariusz (na przykład uderzenie w pieszego lub ścianę), ponieważ reakcja siła-przemieszczenie pozostaje stała.

Metamateriały mechanicznego sprzężenia ściskająco-skrętnego (CTCM)

Obiecującą alternatywą dla obecnie stosowanych metod pochłaniania wstrząsów są metamateriały CTCM (Compression–Torsion Coupling Mechanical).

Ich zadaniem jest zamiana ciśnienia wokół osi materiału na ruch skrętny, przypominający ruch śrubowy, pochłaniający energię uderzenia.

Dzięki temu metamateriały CTCM wyprzedzają o krok proste siatki metalowe, które są po prostu ściskane pod wpływem ciśnienia.

Materiały te w pełni wykorzystują potencjał druku 3D, pozwalając na tworzenie niezwykle złożonych kształtów i struktur, których nie dałoby się stworzyć żadną inną metodą.

Źródło: Materiały Zaawansowane

Reakcje zależne od siły

Poprzednie materiały amortyzujące albo się wyginały, albo nie. Aby więc wytrzymać duże wstrząsy, często musiały wytrzymywać te mniejsze.

„Materiały ochronne stosowane obecnie w większości pojazdów są statyczne, zaprojektowane z myślą o konkretnych scenariuszach zderzeń i nie potrafią dostosować się do zmiennych warunków”.

Profesor Shanmugam Kumar - University of Glasgow

Zamiast tego złożone kształty metamateriałów STCM można precyzyjnie dostosować do konkretnych wymagań.

Naukowcy zaprojektowali kształt, który może pochłonąć dużą ilość energii nawet przy niewielkim uderzeniu, a jednocześnie nadal zapewniać ochronę przed późniejszymi uderzeniami o dużej prędkości i energii.

Po pierwszym pasie zgniatania (tj. początkowym naprężeniu załamującym) ciągliwość materiału płyty groidalnej umożliwiła stabilną reakcję na ściskanie bez katastrofalnej awarii.

Źródło: Materiały Zaawansowane

Dzięki temu metamateriały STCM będą lepsze od obecnie stosowanych pianek konwencjonalnych lub stref zgniotu, gdyż zapewnią większą wytrzymałość na silne zderzenia lub bardziej miękką amortyzację w przypadku lżejszych uderzeń.

Źródło: Materiały Zaawansowane

Tworzenie nowych amortyzatorów

Rezultat ten osiągnięto poprzez stworzenie złożonego, wysoce porowatego kształtu, znanego jako siatka gyroidalna. Następnie porównano rzeczywiste części wyprodukowane metodą druku 3D, przeanalizowane za pomocą tomografii komputerowej, z modelem komputerowym CAD.

Źródło: Materiały Zaawansowane

Mimo że rzeczywisty materiał nieco różnił się od modelu CAD ze względu na grubszą warstwę metalu w niektórych obszarach (gęstość większa o 11.8%), rzeczywista odporność na wstrząsy została prawidłowo przewidziana.

Gdy stosujemy ściskanie, sieć żyroidowa przekształca je w skręt, a zmieniając warunki brzegowe, możemy dostroić charakterystykę pochłaniania energii.

Materiały te mogą dostosowywać się i zmieniać swoje właściwości w zależności od rodzaju i siły uderzenia, aby łagodzić jego skutki.

Profesor Shanmugam Kumar - University of Glasgow

Zastosowania

Dotychczas druk 3D w metalu ograniczał się głównie do branż takich jak lotnictwo i kosmonautyka, ze względu na początkowo wysokie koszty drukarek 3D do metalu. Sytuacja ta dynamicznie się zmienia, ponieważ technologia dojrzewa, a produkcja rośnie.

„Wierzymy, że w przyszłości materiał ten znajdzie zastosowanie w bezpieczeństwie zarówno w motoryzacji, jak i w lotnictwie, tworząc nową klasę materiałów zdolnych do dostosowywania się do różnych potrzeb w zależności od potrzeb.

Może również wspierać rozwój nowych form pozyskiwania energii poprzez zamianę uderzeń na energię kinetyczną ruchu obrotowego”.

Profesor Shanmugam Kumar - University of Glasgow

Tak więc za kilka lat będziemy świadkami powstania nowej klasy materiałów adaptacyjnych odpornych na zderzenia, charakteryzujących się regulowaną absorpcją energii, naprężeniem powodującym załamanie i sztywnością kontrolowaną za pomocą skręcających się struktur żyroidowych.

Przesuń, aby przewijać →

Początkowo zastosowania będą prawdopodobnie ograniczone do branży kolejowej, lotniczej i obronnej, a następnie rozszerzą się na cały sektor motoryzacyjny, od modeli luksusowych po modele podstawowe.

Inwestowanie w druk 3D

Wymiar nano

Początkowo Nano Dimension koncentrowało się na elektronice drukowanej w technologii 3D. Obejmuje to wysoce wyspecjalizowane technologie, takie jak tusze przewodzące lub dielektryczne oraz ceramika. Mogą one być wykorzystywane na przykład do budowy komponentów optycznych lub radiowych.

Jest to jedno z możliwych zastosowań druku 3D w skali nano, które szerzej badaliśmy w „Druk 3D w nanoskali wygląda na przygotowany do komercjalizacji".

Warto zauważyć, że Nano Dimension rozwijało się dzięki połączeniu przejęć i wewnętrznych prac badawczo-rozwojowych. Strategia ta osiągnęła nowy szczyt, przejęcie Desktop Metal w 2024 r.

Razem, obie firmy będą miały znacznie silniejszą pozycję w druku 3D z metalu i ceramiki we wszystkich skalach, od elektroniki po duży sprzęt przemysłowy i lotnictwo i kosmonautykę. Pozwala to również na osiągnięcie korzyści skali poprzez połączenie bazy klientów, do której należą SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronic itp.

Wreszcie obie firmy działały głównie na różnych obszarach geograficznych, przy czym Nano Dimension w Europie i Desktop Metal w USA, co umożliwiło osiągnięcie synergii poprzez połączenie ich zespołów sprzedaży.

Firma twierdzi, że może zmniejszyć ślad ekologiczny produkcji, redukując emisję CO2 o 94%, zużycie wody o 100%, zużycie materiałów o 98% i zużycie chemikaliów o 82%. Dzięki temu Nano Dimension stał się jednym z liderów technologicznych w dziedzinie druku 3D.

Źródło: Wymiary nano

Inne nabycie to co nastąpiło zaraz potem to było to Markforged za 115 mln dolarówSkupiając się na urządzeniach do produkcji addytywnej materiałów kompozytowych i metali, przejęcie firmy Markforged dodatkowo wzmacnia pozycję Nano Dimension na rynku druku 3D z metalu.

„Piękno tej fuzji i piękno Markforged oraz ich zestawu technologii polega na tym, że nie pokrywają się z naszą technologią. Synergie są w aplikacjach dla podobnych firm”.

Yoav Stern – dyrektor generalny Nano Dimension

Firma, poprzez przejęcia i wewnętrzny rozwój, staje się liderem w dziedzinie oprogramowania do druku 3D.

Inwestorzy muszą jednak mieć świadomość, że branża druku 3D jako całość nadal generuje ujemne przepływy pieniężne, więc firma będzie musiała ograniczyć koszty lub wystarczająco się rozwinąć, aby w przyszłości osiągnąć zysk.

(Możesz również przeczytać nasz bardziej szczegółowy raport inwestycyjny dotyczący Nano Dimension, aby uzyskać więcej informacji.)

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Nano Dimension (NNDM)

Badania, do których się odniesiono:

^{1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. . Adaptacyjne skręcanie metamateriałów. Zaawansowane materiały. 22 października 2025 r. https://doi.org/10.1002/adma.202513714}