Inspiration aus der Natur: Eine Zitrusfrucht weist den Weg für eine neue energieabsorbierende Metallstruktur

Wissenschaftler adaptieren bei der Entwicklung neuer Aluminiummaterialien eine Struktur, die in der Natur vorkommt

Die Natur liefert uns Vorlagen für neue Erfindungen. Einen weiteren Beleg dafür liefert eine neue Studie, die jetzt online im Fachjournal Journal of Materials Science bei Springer erscheint. Wissenschaftler des Gießerei-Instituts der RWTH in Aachen und der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg haben einen Aluminium-Hybrid entwickelt, der bei der Optimierung technischer Bauteile und sicherheitstechnischer Materialien helfen könnte. Das Grundprinzip für diese Entwicklung stammt aus einer unerwarteten Quelle – der Schale der Pomelofrucht (Citrus maxima).

Pomelo-Früchte haben ein Gewicht von ein bis zwei Kilogramm, überstehen aber einen Fall aus über zehn Meter Höhe unbeschadet. Die Schlagfestigkeit der Frucht beruht überwiegend auf der hierarchisch aufgebauten Struktur der Schale, die aus einem gradierten, faserverstärkten Schaum besteht. Der neue Aluminium-Hybrid beruht auf einem Ansatz aus der Biologie, bei dem Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften kombiniert werden. Damit werden die in der Natur vorkommenden Strukturen und die Stärke der Pomelo-Schale nachgeahmt.

Um sich die Widerstandskraft der Pomelo bei einem Aufprall zu Nutze zu machen, passten die Wissenschaftler das Blockformgießverfahren an und übertrugen so die Stegstruktur der Pomelo auf einen Metallhybriden. Dieser Hybrid besteht im Zentrum aus hochzähem, reinem Aluminium; die Außenhülle bildet eine höherbelastbare Aluminium-Silizium-Legierung.

Der Verbundwerkstoff weist eine deutlich höhere Zugfestigkeit als reines Aluminium auf. Dieser Wert gibt an, wie stark ein Werkstoff maximal belastbar ist, bevor er bricht. Er besitzt zudem eine deutlich höhere Plastizität als die Aluminium-Silizium-Legierung. Dies bedeutet, dass er wesentlich widerstandsfähiger gegen dauerhafte Verformung ist. Die neue Werkstoffkombination zeigt damit ein neuartiges Verhalten unter Last. Die Autoren empfehlen den Einsatz bei sicherheitstechnischen Materialien als naheliegende Anwendung für ihren bio-inspirierten Werkstoffverbund.

„Die Anforderungen von Entwicklern und Konsumenten an zukünftige Bauteile nimmt stetig zu“, sagt der Erstautor der Studie, Sebastian F. Fischer von der RWTH Aachen. „Der Hauptgrund hierfür liegt im Bedarf an energiesparenden, gewichtsoptimierten Produkten, insbesondere in der Automobilindustrie. Diese Anforderungen können durch verbesserte Materialeigenschaften oder Werkstoffverbunde erfüllt werden. Und während die Entwicklung neuer Materialien immer schwieriger wird, birgt die Verbindung unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften eine Menge Potenzial.“

Quelle:
Fischer, S.F. et al (2013). Production and properties of a precision-cast bio-inspired composite. Journal of Materials Science. DOI 10.1007/s10853-013-7878-4

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