Additiv gefertigte bioinspirierte mehrschichtige Sandwich-Strukturen mit unterschiedlichen Kernkonfigurationen bei Druckbelastung senkrecht zur Ebene

Warum von der Natur inspirierter Aufprallschutz wichtig ist

Von Stoßfängern bis zu Flugzeugkabinen verlassen sich viele moderne Fahrzeuge auf unsichtbare „Sandwich“-Paneele, die leicht sein müssen und zugleich große Kräfte bei einem Aufprall aufnehmen können. Diese Studie untersucht eine neue Klasse solcher Paneele, inspiriert von der rauen, schützenden Schale um eine Eichel. Indem die Forschenden diese natürliche Form mit 3D-Druck kopieren und das Innenmuster gezielt abstimmen, zeigen sie, wie sich Kunststoffstrukturen bauen lassen, die leicht, recyclingfähig und deutlich besser in der Aufpralldämpfung sind.

Vom Baum lernen

Ausgangspunkt ist die Eichelschale, die schuppige Hülle, die eine Eichel beim Fallen umschließt. In der Natur verteilt diese Schale Aufprallkräfte über ein Netzwerk dünner Wände und Hohlräume. Das Team übertrug diese Idee auf künstliche Paneele, die wie ein Sandwich aufgebaut sind: zwei flache, steife Außenplatten mit einem hohlgeformten, gemusterten Kern dazwischen. Statt Schaum besteht der Kern aus vielen kleinen zellartigen Formen, gestapelt in mehreren Lagen. Diese Formen wurden gewählt, um Muster aus der Natur nachzuahmen und zu testen, welche bei Zerstörungskräften am besten verhalten.

Komplexe Kerne durch 3D-Druck herstellen

Um diese Entwürfe in reale Bauteile zu verwandeln, nutzten die Forschenden ein pulverbasiertes 3D-Druckverfahren namens Multi Jet Fusion und arbeiteten mit einem zähen technischen Kunststoff, bekannt als Nylon PA12. Dieses Verfahren kann komplexe Innenstrukturen ohne Kleber oder Schrauben erzeugen, sodass Platten und Kern als ein Stück entstehen. Das Team druckte mehrschichtige Paneele, deren Kerne vier Grundlayouts folgten: rhombisch, hexagonal, quadratisch und rund. Sie variierten außerdem die Zellgröße, den Abstand zwischen benachbarten Zellen und ob die gewellten Lagen in gleicher Richtung gestapelt oder von einer Lage zur nächsten gedreht waren.

Zerstörungsprüfungen und ihre Erkenntnisse

Die Paneele wurden dann langsam zwischen flachen Stahlplatten zusammengepresst, während Kraft und Weg gemessen wurden. Diese Tests ahmen nach, was passiert, wenn eine Wand oder ein Boden in einem Fahrzeug bei einer Kollision von außen belastet wird. Zunächst reagiert jedes Paneel elastisch und springt nach Entlastung zurück. Mit wachsender Belastung beginnen die dünnen Innenwände zu biegen, zu knicken und zu reißen, und das Paneel tritt in eine lange „Plateau“-Phase ein, in der es beim Zusammenfallen weiterhin Energie aufnimmt. Durch Verfolgung der Kraftkurve und der Fläche darunter berechnete das Team sowohl die insgesamt aufgenommene Energie als auch die pro Gramm Material aufgenommene Energie, ein wichtiger Wert für gewichtsrelevante Konstruktionen.

Welche Formen am besten funktionieren

Die rhombischen und hexagonalen Muster stachen hervor. Paneele mit rhombischem Kern nahmen etwa 440 Joule auf und erreichten die höchste Energie pro Gramm, dicht gefolgt von hexagonalen Kernen. Ihre schrägen oder facettierten Wände schaffen viele Pfade für die Kraftübertragung und fördern ein gleichmäßiges, schrittweises Falten statt eines plötzlichen Versagens. Quadratische und runde Kerne nahmen deutlich weniger Energie auf, teils weil scharfe Ecken oder vollständig gekrümmte Wände Belastungen konzentrieren und frühes lokales Versagen auslösen. Eine Verkleinerung der einzelnen Zellen bei gleichbleibender Gesamtgröße des Paneels erhöhte die Spitzenkraft und die aufgenommene Energie für sowohl runde als auch hexagonale Kerne. Eine moderate Vergrößerung des Abstands zwischen den Zellen verzögerte zudem Wechselwirkungen zwischen benachbarten Wänden und verlängerte die sanfte Kollapsphase.

Lagen, die zusammenarbeiten

Auch die Art der Schichtung spielt eine wichtige Rolle. Wenn alle Wellungsrichtungen identisch waren, knickten viele Zellwände gleichzeitig ein, was zu stärkeren Lastabfällen führte. Eine Drehung jeder Lage gegenüber der nächsten verteilte Instabilitäten durch die Dicke des Paneels. Dieses Versetzen zwang die Kräfte, sich von einer Lage zur anderen umzuschichten, und erhöhte Reibung und Gleiten zwischen den Lagen. Sowohl bei runden als auch bei hexagonalen Kernen steigerte das Wechselmuster die gesamte Energieaufnahme um etwa ein Fünftel und erhöhte die Energie pro Gramm um mehr als zehn Prozent. Hexagonale Kerne mit kleinen Zellen, größerem Abstand und wechselnden Lagen lieferten die ausgewogenste Leistung und kombinierten hohe Spitzenfestigkeit mit sehr effizienter Dämpfung.

Was das für sicherere, leichtere Strukturen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft, dass das Innenmuster und die Schichtanordnung in einem Paneel genauso wichtig sein können wie die verwendete Materialmenge. Indem das Team Motive aus der Eichelschale übernahm und sie mit 3D-Druck fertigte, zeigen sie, dass geschickt geformte und gestapelte Zellen ein leichtes Kunststoffblech in einen sehr leistungsfähigen Aufprallschlucker verwandeln können. Solche Paneele könnten künftigen Autos, Zügen und Flugzeugen helfen, Menschen besser zu schützen und gleichzeitig Kraftstoffverbrauch und Materialabfälle zu reduzieren.

Zitation: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

Schlüsselwörter: bioinspirierte Strukturen, Sandwich-Paneele, Energieabsorption, additive Fertigung, Crashworthiness