Voorspellen hoe 3D-geprinten materialen zich zullen gedragen

Additieve productie, zoals 3D-printen, vormt een uitgelezen kans om metamaterialen te ontwerpen: materialen met een speciaal ontworpen structuur die gewenste eigenschappen oplevert, zoals bijvoorbeeld trillingsbestendigheid. Echter, een grote uitdaging was dat de voorspelde materiaaleigenschappen vaak niet strookten met de realiteit. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu aangetoond dat het lastig te voorspellen gedrag van 3D-geprinte metamaterialen niet te wijten is aan productiefouten, zoals doorgaans werd gedacht, maar dat het materiaal beter gekarakteriseerd moest worden om goed voorspellende modellen te verkrijgen. De resultaten zijn gepubliceerd in Materials Horizons op 3 juni 2026.

FSE Science Newsroom | Charlotte Vlek

3D-printers bouwen objecten laag voor laag op. Dit additieve proces kan mogelijk structurele productiefouten introduceren, waaronder verzwakte vlakken of richtingsafhankelijke eigenschappen. Vaak werd gedacht dat dit de boosdoeners waren van het onvoorspelbare gedrag in 3D-geprinte metamaterialen. ‘Ons onderzoek laat zien dat dat niet het geval is,’ vertelt Sidarth Beniwal. ‘Het is zelfs prima mogelijk om een 3D-geprint object met uitstekende eigenschappen te produceren op een eenvoudige 3D-printer. Zo kan een materiaal bijvoorbeeld trillingen dempen, lokaliseren of de trilling alleen in een bepaalde richting doorgeven en niet in de tegengestelde richting.

Onder supervisie van Ranjita Bose en Anastasiia Krushynska werkte Beniwal met een combinatie van numerieke en experimentele methodes, om verschillende materialen te onderzoeken die vaak voor 3D-printen worden gebruikt. Hij vergeleek de trillingsdemping van 3D-geprinte onderdelen in verschillende vormen en in verschillende omstandigheden. Beniwal: ‘We observeerden nagenoeg geen verschil in trillingsbestendigheid tussen structuren die op goedkope of juist dure 3D-printers waren geprint. Dat suggereert dat productiefouten niet de oorzaak zijn.’

Dit laat zien dat de mismatch tussen numerieke voorspelling en experimentele observaties in 3D-geprinte trillingsbestendige structuren een andere oorzaak moeten hebben dan de productiefouten, zoals werd gedacht. In plaats daarvan laten de onderzoekers zien dat ze veel nauwkeuriger modellen kunnen verkrijgen door het materiaal waarmee 3D-geprint wordt netjes te karakteriseren. Vervolgens is het prima mogelijk om 3D-geprinte structuren te ontwerpen die zich gedragen zoals voorspeld. Dit opent mogelijkheden zoals trillingsisolatie, geluidsisolatie, structurele gezondheidsmonitoring, sensoren, signaalverwerking en het oogsten van energie, evenals moderne trillingscontrole-materialen en apparaten.  

Beniwal: ‘Het spannendste deel van het project was toen we de eerste experimentele resultaten kregen, en zagen hoe goed ze overeenkwamen met onze numeriek voorspellingen. In eerste instantie hebben we dit laten zien bij vrij simpele structuren, wat al heel bemoedigend was. Maar het hoogtepunt was toen we de benadering hadden uitgebreid naar meer complexe structuren en zagen dat we ook die nauwkeurig konden voorspellen. We zagen dat we het gedrag van metamaterialen eigenlijk wél heel nauwkeurig konden voorspellen, in tegenstelling tot wat tot nu werd gerapporteerd in de literatuur. Dus werd het duidelijk dat we echt een fundamenteel probleem in het veld hadden aangepakt.’

Referentie:

Predictive Wave Engineering in Polymer Phononic Materials via Viscoelastic–Geometric Coupling. Materials Horizon, 03 Juni 2026, DOI: 10.1039/D6MH00395H