Additief vervaardigde bio-geïnspireerde meerlaagse sandwichconstructies met verschillende kernconfiguraties onder uit-het-vlak gerichte compressie

Waarom natuur-geïnspireerde botsbescherming ertoe doet

Van autobumpers tot vliegtuigcabines: veel moderne voertuigen vertrouwen op verborgen “sandwich” panelen die licht moeten zijn, maar toch grote krachten bij een botsing moeten kunnen opnemen. Deze studie onderzoekt een nieuwe klasse van zulke panelen, geïnspireerd op de ruwe, beschermende schaal rond een eikeltje. Door die natuurlijke vorm met 3D-printen te kopiëren en het interne patroon zorgvuldig af te stemmen, laten de onderzoekers zien hoe je kunststofstructuren kunt bouwen die licht, recyclebaar en veel beter in het dempen van impacts zijn.

Leren van de eik

Het uitgangspunt is de eikelcupule, de schubbige schaal die een eikel omsluit wanneer hij valt. In de natuur spreidt deze schaal inslagkrachten uit via een netwerk van dunne wanden en holtes. Het team vertaalde dat idee naar door mensen gemaakte panelen die als een sandwich zijn opgebouwd: twee vlakke, stijve buitenplaten met daartussen een geperforeerde, patroonrijke kern. In plaats van schuim bestaat de kern uit veel kleine celachtige vormen, gelaagd in meerdere lagen. Deze vormen werden gekozen om patronen uit de natuur te imiteren en te onderzoeken welke het best omgaan met vergruizende krachten.

Complexe kernen bouwen met 3D-printen

Om deze ontwerpen tot echte onderdelen te maken, gebruikten de onderzoekers een poedergebaseerd 3D-printproces genaamd Multi Jet Fusion, met een taaie technische kunststof bekend als Nylon PA12. Deze methode kan ingewikkelde interne patronen produceren zonder lijm of bouten, zodat de platen en kern als één stuk uit de printer komen. Het team printte meerlaagse panelen waarvan de kernen vier basisindelingen volgden: ruitvormig, zeshoekig, vierkant en cirkelvormig. Ze varieerden ook de grootte van elke cel, de tussenruimte tussen aangrenzende cellen, en of de gegolfde lagen in dezelfde richting gestapeld waren of ten opzichte van elkaar gedraaid.

Compressietests en wat ze onthullen

De panelen werden vervolgens langzaam samengedrukt tussen vlakke stalen platen terwijl kracht en verplaatsing werden gemeten. Deze tests bootsen na wat er gebeurt als een wand of vloer in een voertuig van buitenaf wordt ingedrukt tijdens een botsing. In eerste instantie reageert elk paneel elastisch en veert terug wanneer de kracht wordt weggenomen. Naarmate de belasting toeneemt, beginnen de dunne interne wanden te buigen, te wringen en te scheuren, en het paneel komt in een lange “plateau”-fase waarin het energie blijft absorberen terwijl het instort. Door de krachtcurve en het gebied eronder te volgen, berekende het team zowel de totale geabsorbeerde energie als de energie per gram materiaal, een belangrijke maat voor gewichtsgevoelige ontwerpen.

Welke vormen werken het best

De ruit- en zeshoekige patronen sprongen eruit. Panelen met ruitvormige kernen namen ongeveer 440 joule op met de hoogste energie per gram, terwijl zeshoekige kernen dicht in de buurt kwamen. Hun hoekige of faceted wanden bieden veel routes voor krachten om te vloeien, wat soepel, stapsgewijs vouwen bevordert in plaats van plotseling falen. Vierkante en cirkelvormige kernen absorbeerden aanzienlijk minder energie, deels omdat scherpe hoeken of volledig gebogen wanden spanning concentreren en vroegtijdig lokaal bezwijken veroorzaken. Het verkleinen van elke cel, terwijl de totale paneelgrootte gelijk bleef, verhoogde de piekkracht en de opgenomen energie voor zowel cirkel- als zeshoekkernen. Een matige vergroting van de tussenruimte tussen cellen vertraagde verder de interacties tussen aangrenzende wanden en verlengde de zachte instortingsfase.

Lagen die samenwerken

De manier waarop lagen zijn gestapeld speelt ook een belangrijke rol. Wanneer alle golfprofielen in dezelfde richting wezen, vervormden veel celwanden tegelijk, wat leidde tot scherpere dalen in de belasting. Het roteren van elke laag ten opzichte van de volgende verspreidde instabiliteiten door de dikte van het paneel. Deze verspringing dwong krachten om van de ene naar de andere laag te herverdelen en verhoogde wrijving en schuiven tussen lagen. Zowel bij cirkel- als bij zeshoekkernen verhoogde het afwisselende patroon de totale energieabsorptie met ongeveer een vijfde en bracht het de energie per gram met meer dan tien procent omhoog. Zeshoekkernen met kleine cellen, bredere tussenruimtes en afwisselende lagen leverden de meest evenwichtige prestatie, met een combinatie van hoge pieksterkte en zeer efficiënte demping.

Wat dit betekent voor veiligere, lichtere constructies

Voor niet-specialisten is de belangrijkste boodschap dat het interne patroon en de laagopbouw in een paneel net zo belangrijk kunnen zijn als de hoeveelheid materiaal die wordt gebruikt. Door motieven van een eikelcup te lenen en ze te produceren met 3D-printen, toont het team aan dat slim gevormde en gestapelde cellen een lichtgewicht kunststofplaat kunnen omvormen tot een zeer capabele impactdemper. Dergelijke panelen kunnen toekomstige auto’s, treinen en vliegtuigen helpen mensen beter te beschermen, terwijl brandstofgebruik en materiaalafval beperkt blijven.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: bio-geïnspireerde structuren, sandwichpanelen, energieabsorptie, additieve productie, botsveiligheid