Mit einem neuen Strukturmaterial, das so fest ist wie Aluminium, aber 100 Mal leichter, wollen Ingenieure der Seoul National University den Leichtbau revolutionieren. Das Material könnte in Drohnen und anderen Luftfahrzeugen eingesetzt werden, um deren Nutzlast sowie Reichweite zu erhöhen. Auch für erdnahe Fahrzeuge könnte das Material Fortschritte bringen, E-Mobilen beispielsweise eine grössere Reichweite bescheren und Autos mit Verbrennungsmotor den Spritdurst mässigen.
Die Forscher um Sung-Hoon Ahn und Jun Young Choi ersetzen die Zusammensetzung von 3D-Strukturen aus einzelnen Teilen durch ein einheitliches Konstruktionsprinzip, wodurch gleichzeitig geometrische Komplexität als auch mechanische Integrität erreicht werden. Die Herstellung beginnt mit einem temporären Gerüst aus Knoten, das die Geometrie festlegt. Lange Kohlenstofffasern werden dann über diese Knotenpunkte gelegt, sodass ein räumliches Gitterwerk entsteht.
Diese Struktur wird mit einem durch Harz imprägniert, wodurch ein fester Verbundwerkstoff entsteht. Da die Fasern die gesamte Struktur durchziehen, werden Kräfte ohne Unterbrechung übertragen. Spannungskonzentrationen an einzelnen Punkten werden vermieden, die bisher zu lokalem Versagen geführt hat. Betroffen sind in klassischen Konstruktionen vor allem die Verbindungsstellen einzelner Segmente, die es wegen des ganzheitlichen Ansatzes in den neuen Strukturen gar nicht gibt.
Heutige Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten zwar bereits hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, werden jedoch in der Regel durch das Schichten dünner Lagen oder das Zusammenfügen mehrerer Komponenten hergestellt. Diese Verfahren schränken die Gestaltungsfreiheit ein und führen zu Schwachstellen an den Verbindungen der Schichten oder Bauteile.
Selbst neuere Ansätze, wie 3D-gedruckte Verbundwerkstoffe, basieren auf einer schichtweisen Fertigung. Dies erzeugt interne Grenzen, die die Lastübertragung stören und einen Kompromiss zwischen struktureller Komplexität und mechanischer Zuverlässigkeit erzwingen, sagen die Experten der Seoul National University.
Um die Vorzüge des neuen Konstruktionsmaterials zu demonstrieren, haben die Entwickler daraus den Rahmen einer Drohne gebaut. Dieser war im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen um 79 Prozent leichter. Das führte direkt zu einer Verlängerung der Flugzeit um 33 Prozent unter identischen Betriebsbedingungen.
