Исследователи разработали гибридную пену с 3D-печатными элементами, которая поглощает в 10 раз больше энергии удара, чем стандартная амортизирующая подкладка.
Исследователи из Техасского университета A&M и Армейской исследовательской лаборатории DEVCOM разработали гибридную «суперпену», способную поглощать в 10 раз больше энергии, чем обычные наполнители.
Этот материал сочетает в себе обычную пену с встроенными в нее пластиковыми колоннами, напечатанными на 3D-принтере. Эти гибкие колонны, известные как распорки, образуют внутренний каркас, который укрепляет пену и улучшает ее способность выдерживать давление и удары.
Этот подход превращает обычный, недорогой материал в настраиваемый композит, способный выдерживать значительно большие нагрузки, оставаясь при этом легким. Исследователи утверждают, что эта система может улучшить защитное снаряжение, системы безопасности транспортных средств и даже такие повседневные изделия, как подушки.
Работу возглавил доктор Мохаммад Нараги, директор Лаборатории наноструктурированных материалов в Инженерном колледже Техасского университета A&M, в сотрудничестве с доктором Эриком Ветцелем из Армейской исследовательской лаборатории.
Пенопласт встречается с напечатанным каркасом.
Пенопласт широко используется в набивке и защитном снаряжении, поскольку его крошечные воздушные полости сжимаются под давлением, рассеивая энергию. Однако традиционные пенопласты имеют хаотичную внутреннюю структуру, что ограничивает их эффективность в поглощении ударов.
Разработанные с учетом особенностей кристаллической решетки материалы обеспечивают лучший контроль, но они дороги и сложны в производстве в больших масштабах.
Чтобы преодолеть этот разрыв, команда разработала технологию, называемую аддитивным производством в пенопласте (In-Foam Additive Manufacturing, IFAM). Этот процесс создает сеть эластичных пластиковых стержней непосредственно внутри пенопласта с открытыми порами с помощью компьютерной 3D-печати.
«IFAM — это простой, управляемый компьютером производственный процесс, который позволяет нам создавать эластомерный каркас внутри обычной пены с открытыми порами», — сказал Ветцель.
Регулируя диаметр, расстояние между стойками и углы их расположения, исследователи могут настраивать механические свойства материала. Гибридная структура позволяет пенопласту и стойкам работать вместе при сжатии материала.
На начальных стадиях сжатия пенопласт стабилизирует стойки и предотвращает их слишком быстрое изгибание. По мере увеличения давления стойки распределяют усилие на окружающий пенопласт, распределяя нагрузку и позволяя материалу поглощать больше энергии.
«Это волшебство синергии, — сказал Нараги. — Симбиотическое сочетание пенопласта и распорок».
Создан для защиты от сильных ударов.
Проект получил поддержку армии США, которая заинтересована в улучшении энергопоглощающих материалов для защитного снаряжения.
«Энергопоглощающие материалы имеют решающее значение для широкого спектра применений в армии, включая баллистические шлемы и взрывостойкие подушки сидений», — сказал Ветцель.
Исследователи утверждают, что гибридная пена может значительно улучшить защиту шлемов, используемых солдатами. Военные шлемы должны не только останавливать снаряды, но и смягчать удары при падениях и столкновениях.
«Мы не просто добавляем слои к военным шлемам, — сказал Нараги. — Мы используем композитный щиток, который более прочный, чем существующие подкладки, и при этом достаточно легкий, чтобы носить его весь день, не чувствуя усталости».
Поскольку этот материал практически не увеличивает вес, он может обеспечить улучшенную защиту, не снижая мобильность солдат в полевых условиях.
Помимо применения в оборонной сфере, эту же концепцию можно адаптировать для коммерческих шлемов, используемых в велоспорте, мотоциклетном спорте и других видах спорта.
Исследователи также изучают возможность его применения в транспортных средствах. Гибридную пену можно размещать в салонах автомобилей или бамперах, чтобы помочь поглощать силу удара при столкновении и улучшить защиту пассажиров.
Этот материал может даже найти применение в потребительских товарах, таких как матрасы и подушки. Изменяя расположение распорок, можно регулировать жесткость и комфорт различных зон сиденья или матраса.
Исследователи также изучают, может ли внутренняя структура способствовать поглощению звука и вибраций, потенциально улучшая шумоизоляцию в транспортных средствах и зданиях.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Composite Structures.
Sourse: interestingengineering.com
