Struktury kanapkowe wielowarstwowe inspirowane biologicznie, wytwarzane addytywnie, z różnymi konfiguracjami rdzenia pod obciążeniem poza płaszczyzną

Dlaczego ważna jest ochrona przed zderzeniami inspirowana naturą

Od zderzaków samochodowych po wnętrza samolotów, wiele współczesnych pojazdów korzysta z ukrytych paneli „kanapkowych”, które muszą być lekkie, a jednocześnie pochłaniać ogromne siły podczas kolizji. Badanie to opisuje nową klasę takich paneli inspirowanych chropowatą, ochronną „czapką” żołędzia dębu. Kopiując ten naturalny kształt za pomocą druku 3D i precyzyjnie dostrajając wewnętrzny wzór, badacze pokazują, jak zbudować plastikowe struktury lekkie, nadające się do recyklingu i znacznie lepiej amortyzujące uderzenia.

Czego uczy nas dąb

Punktem wyjścia jest miseczka dębu, łuskowata osłona, która otacza żołędzia podczas opadania. W naturze ta osłona rozprasza siły uderzenia przez sieć cienkich ścianek i przestrzeni. Zespół przeniósł ten pomysł do paneli przypominających kanapkę: dwóch płaskich, sztywnych płyt z pustym, wzorzystym rdzeniem pomiędzy nimi. Zamiast pianki rdzeń zbudowano z wielu małych kształtów przypominających komórki, ułożonych w kilku warstwach. Kształty te dobrano tak, by naśladować wzory występujące w przyrodzie i sprawdzić, które najlepiej radzą sobie z siłami miażdżenia.

Budowanie złożonych rdzeni przez druk 3D

Aby przekształcić te projekty w rzeczywiste elementy, badacze użyli proszkowej technologii druku 3D zwanej Multi Jet Fusion, pracując z wytrzymałym tworzywem inżynierskim Nylon PA12. Metoda ta pozwala wytwarzać skomplikowane wewnętrzne wzory bez kleju czy śrub, dzięki czemu płyty i rdzeń powstają jako jeden element. Zespół wydrukował wielowarstwowe panele, których rdzenie miały cztery podstawowe układy: rombowe, heksagonalne, kwadratowe i okrągłe. Zmieniano też rozmiar każdej komórki, odstępy między sąsiednimi komórkami oraz to, czy skorupiaste warstwy były ułożone w tym samym kierunku, czy obracane względem kolejnych warstw.

Testy miażdżenia i ich wyniki

Panele były następnie ściskane powoli między płaskimi stalowymi płytami przy jednoczesnym pomiarze siły i przemieszczenia. Testy te odwzorowują sytuację, gdy ściana lub podłoga w pojeździe jest naciskana od zewnątrz podczas kolizji. Na początku każdy panel reagował sprężyście, powracając do kształtu po usunięciu siły. W miarę wzrostu obciążenia cienkie ścianki wewnętrzne zaczynały się wyginać, wyboczać i pękać, a panel wchodził w długą „płaską” fazę, w której nadal pochłaniał energię podczas zapadania. Śledząc charakterystykę siły i powierzchnię pod nią, zespół obliczył zarówno całkowitą pochłoniętą energię, jak i energię pochłoniętą na gram materiału — kluczowy wskaźnik dla konstrukcji wrażliwych na masę.

Które kształty działają najlepiej

Na pierwszym planie wyróżniały się wzory rombowe i heksagonalne. Panele z rdzeniami rombowymi pochłonęły około 440 dżuli z najwyższą energią na gram, a rdzenie heksagonalne uplasowały się tuż za nimi. Ich ukośne lub fazowane ścianki oferują liczne ścieżki przepływu sił, sprzyjając płynnemu, stopniowemu składaniu zamiast nagłej awarii. Rdzenie kwadratowe i okrągłe pochłaniały znacznie mniej energii, częściowo dlatego, że ostre naroża lub całkowicie zakrzywione ścianki skupiają naprężenia i wywołują wczesne lokalne zapadanie. Zmniejszenie wielkości każdej komórki przy zachowaniu wymiarów całego panelu zwiększyło szczytową siłę i pochłanianą energię dla rdzeni okrągłych i heksagonalnych. Umiarkowane zwiększenie odstępu między komórkami dodatkowo opóźniło interakcje między sąsiednimi ściankami i wydłużyło etap łagodnego zapadania.

Warstwy, które działają razem

Sposób układania warstw również ma kluczowe znaczenie. Gdy wszystkie fałdy były skierowane w tym samym kierunku, wiele ścianek komórek wyboczało jednocześnie, prowadząc do gwałtowniejszych spadków obciążenia. Obracanie każdej warstwy względem sąsiedniej rozproszyło niestabilności w grubości panelu. Takie przesunięcie wymuszało redystrybucję sił z jednej warstwy na drugą oraz zwiększało tarcie i przesuwanie między warstwami. Zarówno w rdzeniach okrągłych, jak i heksagonalnych, naprzemienny układ zwiększył całkowite pochłanianie energii o około jedną piątą i podniósł energię na gram o ponad dziesięć procent. Rdzenie heksagonalne z małymi komórkami, szerszymi odstępami i naprzemiennymi warstwami zapewniły najbardziej zrównoważone osiągi, łącząc wysoką wytrzymałość szczytową z bardzo efektywną amortyzacją.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych, lżejszych konstrukcji

Dla osoby niebędącej specjalistą najważniejszy wniosek jest taki, że wewnętrzny wzór i układ warstw w panelu mogą być równie istotne co ilość użytego materiału. Zapożyczając motywy z miseczki żołędzia i wytwarzając je metodą druku 3D, zespół pokazuje, że pomysłowo ukształtowane i ułożone komórki mogą przekształcić lekką plastikową płytę w bardzo skuteczny pochłaniacz energii. Takie panele mogłyby pomóc przyszłym samochodom, pociągom i samolotom lepiej chronić ludzi, przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia paliwa i marnotrawstwa materiałów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: struktury bioinspirowane, panele kanapkowe, pochłanianie energii, produkcja addytywna, odporność na zderzenia