Tilläggstillverkade bioinspirerade flerskiktade sandwichstrukturer med varierande kärnkonfigurationer vid utomplans kompression

Varför naturinspirerat krockskydd räknas

Från bilstötfångare till flygkabiner förlitar sig många moderna fordon på dolda ”sandwich”‑paneler som måste vara lätta men ändå kunna ta upp mycket kraft vid en krasch. Denna studie undersöker en ny klass av sådana paneler, inspirerade av den grova, skyddande koppen runt en ekollon. Genom att efterlikna den naturliga formen med 3D‑utskrift och finjustera det inre mönstret visar forskarna hur man kan bygga plaststrukturer som är lätta, återvinningsbara och långt bättre på att dämpa stötar.

Lära från ekens kopp

Utgångspunkten är ekens cupule, den fjälliga skalet som vaggar ett ekollon när det faller. I naturen sprider detta skal krockkrafter genom ett nätverk av tunna väggar och håligheter. Teamet översatte den idén till människotillverkade paneler byggda som en sandwich: två plana, styva ytterplattor med en ihålig, mönstrad kärna emellan. Istället för skum består kärnan av många små cell‑lika former, staplade i flera lager. Dessa former valdes för att efterlikna mönster som ses i naturen och för att testa vilka som hanterar krosskrafter mest fördelaktigt.

Bygga komplexa kärnor med 3D‑utskrift

För att göra dessa designer till verkliga delar använde forskarna en pulverbaserad 3D‑utskriftsteknik kallad Multi Jet Fusion, med ett tåligt konstruktionsplast känt som Nylon PA12. Denna metod kan producera intrikata interna mönster utan lim eller bultar, så plattor och kärna blir ett enda stycke. Teamet printade flerskiktade paneler vars kärnor följde fyra grundläggande layouter: rombiska, hexagonala, fyrkantiga och cirkulära celler. De varierade också cellstorlek, avståndet mellan intilliggande celler och om de korrugerade lagren var staplade i samma riktning eller roterade från ett lager till nästa.

Krosstester och vad de avslöjar

Panelerna klämdes därefter långsamt mellan plana ståplattor medan kraft och förskjutning mättes. Dessa tester efterliknar vad som händer när en vägg eller ett golv i ett fordon trycks utifrån vid en kollision. I början reagerar varje panel elastiskt och återfjädrar när kraften tas bort. När belastningen ökar börjar de tunna interna väggarna böjas, bukta och spricka, och panelen går in i en lång ”platå” där den fortsätter absorbera energi medan den kollapsar. Genom att följa kraftkurvan och ytan under den beräknade teamet både total absorberad energi och energi per gram material, en viktig måttstock för viktkritiska konstruktioner.

Vilka former fungerar bäst

De rombiska och hexagonala mönstren stack ut. Paneler med rombiska kärnor absorberade omkring 440 joule med högst energi per gram, medan hexagonala kärnor kom tätt efter. Deras vinklade eller fasetterade väggar ger många vägar för krafter att fördelas, vilket främjar jämn, steg‑för‑steg vikning snarare än plötsligt brott. Fyrkantiga och cirkulära kärnor absorberade avsevärt mindre energi, delvis eftersom skarpa hörn eller helt krökta väggar koncentrerar spänningar och utlöser tidig lokal kollaps. Att göra varje cell mindre, samtidigt som panelens totala storlek behålls, ökade toppkrafterna och den absorberade energin för både cirkulära och hexagonala kärnor. En måttlig ökning av avståndet mellan cellerna fördröjde dessutom interaktioner mellan intilliggande väggar och förlängde den jämna kollapsfasen.

Lager som samverkar

Hur lagren är staplade spelar också en avgörande roll. När alla korrugationer pekade i samma riktning buktade många cellväggar samtidigt, vilket ledde till skarpare nedgångar i belastning. Att rotera varje lager i förhållande till nästa spred instabiliteter genom panelens tjocklek. Denna förskjutning tvingade krafterna att omfördela sig från ett lager till ett annat och ökade friktion och glidning mellan dem. I både cirkulära och hexagonala kärnor ökade det alternerande mönstret total energiabsorption med ungefär en femtedel och höjde energi per gram med mer än tio procent. Hexagonala kärnor med små celler, större avstånd och alternerande lager gav den mest balanserade prestationen, och kombinerade hög toppstyrka med mycket effektiv dämpning.

Vad detta betyder för säkrare, lättare konstruktioner

För en icke‑specialist är huvudbudskapet att det inre mönstret och lagerordningen i en panel kan vara lika viktiga som mängden material som används. Genom att låna motiv från en ekollonskål och tillverka dem med 3D‑utskrift visar teamet att smart formade och staplade celler kan förvandla ett lätt plastskikt till en mycket kapabel stötupptagare. Sådana paneler kan hjälpa framtida bilar, tåg och flygplan att bättre skydda människor samtidigt som bränsleförbrukning och materialspill hålls nere.

Citering: 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

Nyckelord: bioinspirerade strukturer, sandwichpaneler, energiabsorption, additiv tillverkning, krocksäkerhet