Das 27-Sekunden-Video wird in einer Endlosschleife abgespielt und ist faszinierend anzusehen: Kohlefasermaterial, das aus einem 3D-Drucker fließt und langsam wirbelt und sich stapelt wie Softeis.
Nur gibt es keine Eiswaffel oder Becher für dieses Material, das als Kohlefaserverbundwerkstoff bekannt ist – ein starkes, leichtes Material, das seit Jahrzehnten für Flugzeugverkleidungen und Windturbinen bis hin zu Tennisschlägern verwendet wird.
In dem Video härtet das Material von selbst aus, wenn es sich auf einer erhitzten Oberfläche entfaltet, ohne Form oder Struktur, um es an Ort und Stelle zu halten.
Diese Freiform-Kreation zeigt die Arbeit von Mostafa Yourdkhani, Assistenzprofessor für Maschinenbau am Walter Scott, Jr. College of Engineering, der daran arbeitet, die Kosten, die Zeit und die Energie zu reduzieren, die für die Herstellung dieser komplexen Strukturen erforderlich sind, so seine Aussage neueste Veröffentlichung auf dem Cover von ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.
„Wir machen es schneller und energieeffizienter“, sagte Yourdkhani. Die Maschinenbau-Doktoranden Morteza Ziaee und James W. Johnson sind ebenfalls Autoren der Veröffentlichung. „Stellen Sie sich vor, Sie möchten einen Kuchen backen und Sie legen den Teig auf eine Bank und es wird einfach ein Kuchen mit Abzug. Für Kuchen braucht man Formen; hier stellen wir Strukturen ohne Formen her. Das sind komplexe Muster, die leicht sind und Kraftstoff sparen .“
Er und sein Team gehören zu den ersten weltweit, die diese Art des Verbunddrucks abgeschlossen haben.
Bildnachweis: Colorado State University
Allein das Video hat auf seinem LinkedIn-Konto mit etwa 1.000 Likes von Kollegen auf der ganzen Welt an Bedeutung gewonnen. „Ein Video aus unserer jüngsten Arbeit zum In-situ-Drucken und Aushärten von diskontinuierlich faserverstärkten duroplastischen Verbundwerkstoffen“, heißt es in seinem Beitrag. „Zwei Druckstrategien (Freiform- und Schicht-für-Schicht-Druck) ohne Nachhärtungsschritt. Siehe unser von Morteza Ziaee geleitetes Papier zu dieser interessanten Arbeit.“
„Ich bin ziemlich begeistert von dieser Technologie“, sagt Yourdkhani später. „Nach langjähriger Tätigkeit im Verbundwerkstoffbereich spricht diese Technologie alle Probleme an, die wir bei der Verbundwerkstoffherstellung haben.“
Yourdkhani zeigt das Video, um zu veranschaulichen, dass er und seine Doktoranden einen Weg entdeckt haben, Kohlefaserverbundwerkstoffe in sehr kurzer Zeit mit minimaler Hitze zu drucken. Der größte Teil der industriellen Produktion von Kohlenstofffasern erfordert ein intensives Erhitzen von Formen, die 6 bis 10 Stunden in riesigen Öfen von der Größe von Sattelzugmaschinen verbringen.
Vergessen Sie die riesigen Formen und reduzieren Sie die Zeit auf nur wenige Minuten – das hat Yourdkhanis Team getan, um diese duroplastischen Verbundwerkstoffe in seinem Labor herzustellen. Duroplaste sind Flüssigkeiten, die durch eine einseitige chemische Reaktion fest werden, was bedeutet, dass sie sich beim erneuten Erhitzen nicht wieder in Flüssigkeiten verwandeln. Epoxid, das in der Holzbearbeitung verwendet wird, ist ein Beispiel für ein duroplastisches Polymer.
In diesem Sommer hat er Ingenieurstudenten und Gymnasiasten für seine Forschung engagiert, aber er sucht auch Studenten aus anderen Fachrichtungen wie Chemie und Informatik.
„Chemie, Maschinenbau, Robotik und Informatik sind alle miteinander verbunden, um dies zu ermöglichen.“
Morteza Ziaee et al, 3D-Druck von kurzkohlenstofffaserverstärkten duroplastischen Polymerverbundwerkstoffen durch Frontalpolymerisation, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c02076