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Ultraleichte Fraktale aus 3D-Drucker

03.12.2012

Stahlträger sind seit über 100 Jahren essentiell für den Bau von Gebäuden. Jeder Architekt nutzt sie für die Kosntruktion eines sGrundgerüsts. Doch sie haben einen großen Nachteil: Sie sind absolut uniform. Wird ein Stahlträger benötigt, der an einer Stelle eine bestimmte Kraft aushalten muss, dann muss der komplette Träger in der entsprechenden Dicke gebaut werden. Das könnte sich jetzt dank 3D-Druckern ändern!









Zufällige Entdeckung

Mit modernen 3D-Druckern soll es in Zukunft möglich sein, Träger anzufertigen, die für einen ganz speziellen Zweck optimiert sind. Obwohl sie deutlich leichter als massiver Stahl sind, halten sie die 10.000-fache Last aus!

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Britische Physiker haben dafür eine Reihe von Forschungserkenntnissen kombiniert und dabei das folgende Vorgehen entwickelt:

  1. Nimm einen holen Stahlträger und belaste ihn mit der Kraft, die er tragen soll.
  2. Ab einer bestimmten Krafteinwirkung, wird die Konstruktion versagen.
  3. Analysiere die Bruchstellen mit Hilfe einer Software und konstruiere einen inneres Fraktal, das die Krafteinwirkung innerhalb des Stahlträgers verteilt.
  4. Drucke dieses Fraktal mit einem 3D-Drucker und teste erneut.
  5. Ab einer bestimmten Krafteinwirkung, wird die Konstruktion versagen.
  6. Analysiere die Bruchstellen mit Hilfe einer Software und konstruiere einen inneres Fraktal, das die Krafteinwirkung innerhalb des ersten Fraktals verteilt.
  7. Drucke dieses Fraktal mit einem 3D-Drucker und teste erneut.
Ein solches Fraktal wird im inneren eines hohlen Stahlträgers platziert. Es verteilt die Kraft, die auf eine Stelle des Trägers einwirkt, über eine größere Fläche und steigert so die Tragfähigkeit.
Ein solches Fraktal wird im inneren eines hohlen Stahlträgers platziert. Es verteilt die Kraft, die auf eine Stelle des Trägers einwirkt, über eine größere Fläche und steigert so die Tragfähigkeit.

So sieht das innere des Stahlträgers aus, wenn das Fraktal erster Ordnung durch ein weiteres Fraktal entlastet wird.
So sieht das innere des Stahlträgers aus, wenn das Fraktal erster Ordnung durch ein weiteres Fraktal entlastet wird.

Die Schritte 5 bis 7 lassen sich noch weiter wiederholen. Aktuell nur ein weiteres Mal (danach werden die benötigten Fraktale zu klein), theoretisch aber noch viel öfter. Die mit Fraktalen der 3. Generation gestützten Stahlträger sind bis zu 10.000 Mal stärker als hole Stahlträger, wiegen aber nur einen Bruchteil massiver Stahlträger.

Neben der Feingranularität gibt es noch ein weiteres Problem: Wenn der 3D-Drucker einen kleinen Fehler macht, geht das Konzept nicht mehr auf. Die Wissenschaftler um Yong Mao von der Universität Nottingham sind jedoch zuversichtlich, dass zukünftige 3D-Drucker für derartige Konstruktionen geeignet sind.



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