En ny form av 3D-tryckt material tillverkat genom att kombinera vanlig plast med kolnanorör är segare och lättare än liknande former av aluminium, säger forskare.

Materialet kan leda till utvecklingen av säkrare, lättare och mer hållbara strukturer för användning inom flyg- och rymdindustrin, bil, förnybar energi och marin industri.

I en ny artikel publicerad i tidskriften Material &Design , ett team som leds av ingenjörer vid University of Glasgow beskriver hur de har utvecklat ett nytt cellulärt metamaterial med plattgitter som kan vara imponerande motståndskraftigt mot stötar.

Metamaterial är en klass av artificiellt skapade cellulära fasta ämnen, designad och konstruerad för att manifestera egenskaper som inte förekommer i den naturliga världen.

En form av metamaterial, kända som plattgitter, är kubiska strukturer gjorda av korsande lager av plattor som uppvisar ovanligt hög styvhet och styrka, trots att det har ett betydande utrymme mellan plattorna. Dessa utrymmen, som är en fastighetsingenjörer kallar porositet, gör också plattgitter ovanligt lätta.

Forskarna satte sig för att undersöka om nya former av plattgitterdesign, tillverkade av en plast-nanorörkomposit som de utvecklade, skulle kunna göra ett metamaterial med ännu mer avancerade egenskaper för styvhet, styrka och seghet.

Deras komposit använder blandningar av polypropen och polyeten - låg kostnad, återanvändbar plast som ofta används i vardagliga föremål som plastpåsar och flaskor – och kolnanorör med flera väggar, små filament konstruerade av kolatomer.

De använde sin nanokonstruerade glödtrådskomposit som råvara i en 3D-skrivare som smälte ihop glödtrådarna för att bygga en serie plattgitterdesigner. Dessa konstruktioner utsattes sedan för en serie stöttester genom att släppa en massa på 16,7 kg från olika höjder för att fastställa deras förmåga att motstå fysiska stötar.

Först, teamet testade tre typer av typiska plattgitter som de designade och byggde – en enkel kub bildad från skärningspunkten mellan tre plattor, en mer komplex kub med ytterligare korsande plattor, och en mer mångfacetterad design. Dessa typiska plattgitter tillverkades i två omgångar - en av polypropen och en av polyeten.

Sedan, de testade ytterligare tre "hybrid" plattgitter som inkorporerade funktioner från de enklare designerna i de första experimenten - en enkel kub/komplex kubhybrid, en enkel kub/multifacet-hybrid och en som kombinerade alla tre. På nytt, satser tillverkade av polypropen och polyeten gjordes.

Hybriddesignen som sammanförde delar av alla tre typiska plattgitterdesigner visade sig vara den mest effektiva för att absorbera stötar, med polypropenversionen som visar den största slagtåligheten. Genom att använda ett mått som kallas specifik energiabsorption, som forskare använder för att bestämma ett materials förmåga att absorbera energi i förhållande till dess massa, teamet fann att polypropenhybridplattgittret kunde motstå 19,9 joule per gram - en överlägsen prestanda jämfört med liknande designade mikroarkitekterade metamaterial baserade på aluminium.

Dr Shanmugam Kumar, Läsare i Composites and Additive Manufacturing vid James Watt School of Engineering, ledde forskningsprojektet. Forskargruppen involverade också mekaniska och kemiingenjörer från Khalifa University i Abu Dhabi och Texas A&M University vid College Station i USA.

Dr Kumar sa:"Detta arbete ligger precis i skärningspunkten mellan mekanik och material. Balansen mellan de kolnanostrukturkonstruerade filamenten som vi har utvecklat som råvara för 3D-utskrift, och de hybridkompositplattor-gitterdesigner vi har skapat, har gett ett riktigt spännande resultat. I jakten på lättviktsteknik, det pågår en konstant jakt på ultralätta material med hög prestanda. Våra nanokonstruerade hybridplattgaller uppnår extraordinära styvhets- och hållfasthetsegenskaper och uppvisar överlägsna energiabsorptionsegenskaper jämfört med liknande galler byggda med aluminium.

"Framsteg inom 3D-utskrift gör det enklare och billigare än någonsin att tillverka de typer av komplicerade geometrier med skräddarsydd porositet som ligger till grund för vår plattgitterdesign. Tillverkning av denna typ av design i industriell skala blir en verklig möjlighet.

"En applikation för denna nya typ av plattgitter kan vara inom biltillverkning, där designers ständigt strävar efter att bygga mer lätta karosser utan att offra säkerheten vid krockar. Aluminium används i många moderna bildesigner, men vårt plattgitter erbjuder större slagtålighet, vilket kan göra det användbart i den typen av applikationer i framtiden.

"Återvinningsbarheten av plasten vi använder i dessa plattgallren gör dem också attraktiva när vi går mot en värld utan noll, där cirkulära ekonomiska modeller kommer att vara centrala för att göra planeten mer hållbar."

Lagets tidning, med titeln "Påverkansbeteende hos nanokonstruerade, 3-D tryckta plattgitter, " publiceras i Material &Design .