Univerza Texas A&M
Raziskovalci so razvili hibridno peno s 3D-tiskanim plastičnim ogrodjem – dovolj trdno, da rešuje življenja, in dovolj lahko za vsakdanjo rabo.
Raziskovalci s področja letalskega inženirstva ter znanosti o materialih na Univerzi Texas A&M [1] in v raziskovalnem laboratoriju DEVCOM Army Research Laboratory [2] so razvili »super peno«, ki lahko absorbira do 10-krat več energije kot običajna oblazinjenost.
Kompozitni material [3], ki je bil objavljen in opisal v reviji Composite Structures, združuje navadno peno s 3D-tiskanimi vstavki iz raztegljivih plastičnih stebričkov, imenovanih struts.
Raziskovalno skupino vodi dr. Mohammad Naraghi, direktor Laboratorija za nanostrukturirane materiale na Inženirski fakulteti Univerze Texas A&M, ki sodeluje z dr. Ericom Wetzelom, vodjo skupine za strateško aditivno proizvodnjo polimerov v ARL.
Ob tej priložnosti je dr. Naranghi povedal: »Iz preproste pene smo ustvarili prilagodljiv, visokozmogljiv kompozit iz super pene. Ta material ima potencial, da postane univerzalna rešitev za široko paleto uporab.«
Pene so povsod – in jih najdemo v skoraj vsem, česar se dotaknemo ali kar uporabljamo.
»Obdajajo nas pene,« je dejal Naraghi. »Mnogi predmeti okoli vas so bodisi v celoti bodisi delno izdelani iz njih.« Njihova skrivnost je preprosta: milijoni drobnih zračnih mehurčkov se pod pritiskom sesedejo in s tem razpršijo energijo.
A obstaja tudi past. Pod površino imajo običajne pene naključne in kaotične notranje strukture, ki omejujejo učinkovitost absorpcije energije, medtem ko so inženirski celični materiali (rešetkaste strukture) bolj organizirani, a znani po visoki ceni in težavah pri povečanju obsega.
Desetletja so se inženirji morali odločati med cenovno dostopnostjo in natančnostjo – do zdaj.
Raziskovalna skupina je prvič dokazala, da rešitev za to zapleteno dilemo leži v tehniki, imenovani »In-Foam Additive Manufacturing« ali IFAM.
»IFAM je preprost, računalniško voden proizvodni proces, ki nam omogoča izdelavo elastomernega ogrodja znotraj konvencionalne pene z odprtimi celicami,« je dejal Wetzel. »Premer, razmik, kot in elastičnost elastomera je mogoče izbrati tako, da se doseže širok spekter lastnosti.
Proces IFAM združuje najboljše iz obeh svetov in zagotavlja cenovno ugodnega, prilagodljivega in visoko zmogljivega kompozitnega absorberja energije.«
Z drugimi besedami, v navadni peni ustvari tridimenzionalno mrežo plastičnih opornih stebričkov, s čimer nastane kompozitni material, v katerem se pena in opore pod pritiskom dopolnjujejo in nadomeščajo medsebojne slabosti.
V zgodnjih fazah stiskanja penasta masa deluje kot opora, ki ohranja oporne stebričke stabilne, da se ne upognejo prehitro. Ko se pritisk povečuje, opore silo potiskajo navzven v okoliško penasto maso in tako razporedijo obremenitev. Skupaj to vzajemno delovanje omogoča kompozitu, da absorbira več energije in prenese večje sile.
»To je čar sinergije,« je dejal Naraghi. »Simbiotična sestavljena struktura iz pene in opornih elementov.«
S spreminjanjem debeline in kotov opornih elementov so raziskovalci ustvarili sestavljeno strukturo, ki jo je mogoče prilagoditi glede na zahteve po trdnosti, absorpciji energije, udobju ali vsem trem.
Nova linija obrambe
Ker gre za projekt, ki ga financira vojska, je najpomembnejše področje uporabe te hibridne pene nacionalna obramba.
»Materiali, ki absorbirajo energijo, so ključnega pomena za številne vojaške namene, med drugim za balistične čelade in sedežne blazine, odporne proti eksplozijam,« je dejal Wetzel.
Na bojiščih prehod s standardne obloge na super peno, ki absorbira desetkrat več energije, ni le inženirski dosežek, temveč ima potencial za zmanjšanje poškodb in reševanje življenj.
»Z vstavljanjem določenih plastičnih ojačitev v navadno peno zagotavljamo za več velikostnih razredov višjo raven zaščite, pri čemer se teža poveča le za malo,« je dejal Naraghi.
Ekipa raziskuje, kako bi bilo mogoče hibridno peno uporabiti v vojaških čeladah, ki morajo ne le ustaviti balistične projektile, temveč tudi zagotoviti blaženje pri hudih padcih in trkih.
„Vojnim čeladam ne dodajamo le plasti,“ je dejal Naraghi. „Uporabljamo kompozitni ščit, ki je bolj prožen od sedanjih oblazinjenj, hkrati pa dovolj lahek, da ga je mogoče nositi ves dan, ne da bi se počutili utrujeni.“
Za vojake to pomeni novo obrambno linijo, ki zagotavlja večjo zaščito, izboljšano varnost in vrhunsko pripravljenost, ne da bi pri tem prišlo do zmanjšanja mobilnosti ali vzdržljivosti.
»Poškodbe glave in možganov ostajajo pomembna skrb za ameriško vojsko, zato je vsaka inovacija na področju materialov, ki nam omogoča zagotoviti večjo zaščito, hkrati pa ohranja udobje in nizko težo, dragocen korak naprej,« je dejal Wetzel. »Poleg tega je postopek IFAM mogoče brez težav prenesti v serijsko proizvodnjo v realnem svetu.«
Prihodnost varnosti na cestah in vzletno-pristajalnih stezah
Enaka načela glede materialov, ki se uporabljajo za zaščito vojakov, bi bilo mogoče prilagoditi tudi za civilno rabo.
»To isto hibridno peno lahko uporabimo tudi za komercialne čelade: kolesarske, motociklistične, celo športne čelade,« je dejal Naraghi. »Praktično za vsako opremo, ki je zasnovana za blaženje udarcev z visoko energijo.«
Poleg zaščitne opreme bi novi kompozit lahko na novo opredelil varnostne standarde na področju zaščite potnikov in oblikovanja vozil.
Z oblogo avtomobilskih odbijačev in notranjosti s to hibridno peno vozila pridobijo visokotehnološki absorber energije, ki lahko ublaži silovite trke in tako zaščiti potnike pred udarci, za katere sedanje obloge niso dovolj prilagojene.
»Ena od možnosti, ki nas zanima, so varnostni sedeži za potnike in otroke,« je dejal Naraghi.
Dušenje hrupa
Hibridna pena ni le fizični ščit, temveč ima še en obetaven potencial: zmanjševanje hrupa.
Čeprav gre za dolgoročni cilj, raziskovalci odpirajo pot k temu, kako bi bilo mogoče hibridno peno natančno prilagoditi za napredno zvočno izolacijo.
»Lastnosti pene bi bilo mogoče spremeniti tako, da bi postala odličen zvočni absorber, ki duši ali celo popolnoma odpravlja določene frekvenčne pasove in vibracije,« je dejal Naraghi.
Z drugimi besedami, tisti globoki, nizki hrup v kabinah letal in v vozilih v gibanju ali oster, glasen hrup v stanovanjskih stavbah bi se lahko ujel in utišal znotraj notranjega ogrodja hibridne pene.
»Akustične aplikacije so še vedno v zgodnjih fazah raziskav, vendar bi radi to lastnost podrobneje proučili, da bi iz pene naredili aktivni zvočni filter, ki bi po učinkovitosti presegel sedanje materiale,« je dejal Naraghi.
Potem je tu še vidik blazin in vprašanje, kako bi se ta kompozit vojaške kakovosti lahko uveljavil v gospodinjstvih, saj omogoča tisto, kar raziskovalci imenujejo »prilagajanje po conah« v blazinah.
»Z našo hibridno peno bi lahko različne cone blazine prilagodili svojim različnim preferencam,« je dejal Naraghi. »Na primer, trda za vrat, mehka za hrbet in srednje trda za noge. Lahko bi bila popolnoma prilagojena potrebam, udobju in fiziologiji posameznika.«
To pomeni konec dobe enotnih rešitev za blazine, saj je zdaj mogoče vsak centimeter stola, vzmetnice ali kavča prilagoditi tako, da nudi oporo prav tam, kjer jo najbolj potrebujete ali želite.
To sodelovanje je odličen primer široke akademiske iznajdljivosti in raziskovalnega pristopa univerze Texas A&M: pretvarjanje temeljnih vprašanj v napredne, transformativne zmogljivosti, pripravljene na prihodnost.
„Sodelovanje v tej skupini je bilo ključnega pomena za naš uspeh,“ je dejal Wetzel. „Ekipa profesorja Naraghija na univerzi Texas A&M ni le zagotovila inovativne rešitve, ampak ima tudi akademsko strokovnost, da razume temeljna načela tega novega kompozitnega materiala. ARL ima bogate izkušnje in strokovno znanje na področju uporabe materialov, ki absorbirajo energijo, kar nam omogoča, da raziskave usmerjamo v smeri, za katere pričakujemo, da se bodo lahko prenesle v vojaški material.“
V primeru te nove super pene zaščita prihodnosti že dobiva obliko – lažja, močnejša in zasnovana od znotraj navzven.
„Na univerzi Texas A&M in v mojem laboratoriju si prizadevamo za inovativne rešitve, ki obravnavajo današnje izzive in hkrati predvidevajo potrebe prihodnosti,“ je dejal Naraghi.
Viri:
1: https://www.tamu.edu/index.html
2: https://arl.devcom.army.mil/
3: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822326001236?via%3Dihub#f0005
Povzeto po:
https://stories.tamu.edu/news/2026/03/06/hybrid-super-foam-tunable-lightweight-and-ultra-durable/
