Ячеистые твердые тела представляют собой материалы, состоящие из множества ячеек, упакованных вместе, например, в виде сот. Форма этих ячеек во многом определяет механические свойства материала, включая его жесткость или прочность. Кости, например, наполнены натуральным материалом, который позволяет им быть легкими, но жесткими и прочными.
Вдохновленные костями и другими клеточными твердыми телами, найденными в природе, люди использовали ту же концепцию для разработки архитектурных материалов. Изменяя геометрию элементарных ячеек, из которых состоят эти материалы, исследователи могут настраивать механические, тепловые или акустические свойства материала. Материалы Architects используются во многих областях: от амортизирующей пены до радиаторов, регулирующих тепло.
Используя киригами, древнее японское искусство складывания и резки бумаги, исследователи Массачусетского технологического института теперь изготовили тип высокопроизводительного архитектурного материала, известного как пластинчатая решетка, в гораздо большем масштабе, чем ученые ранее могли достичь с помощью аддитивного производства. Этот метод позволяет им создавать эти структуры из металла или других материалов с нестандартными формами и особыми механическими свойствами.
«Этот материал похож на стальную пробку. Она легче пробки, но обладает высокой прочностью и жесткостью», — говорит профессор Нил Гершенфельд, руководитель Центра битов и атомов (CBA) в Массачусетском технологическом институте и старший автор новой статьи об этом подходе.
Исследователи разработали процесс модульного строительства, в котором множество более мелких компонентов формируются, складываются и собираются в трехмерные формы. Используя этот метод, они изготовили сверхлегкие и сверхпрочные конструкции и роботов, которые при заданной нагрузке могут трансформироваться и сохранять форму.
Поскольку эти конструкции легкие, но прочные, жесткие и их относительно легко производить в больших масштабах, они могут быть особенно полезны в архитектурных, авиационных, автомобильных или аэрокосмических компонентах.
К Гершенфельду в работе над статьей присоединились соведущие авторы Альфонсо Парра Рубио, научный сотрудник CBA, и Клара Мундилова, аспирант Массачусетского технологического института по электротехнике и информатике; вместе с Дэвидом Прейссом, аспирантом CBA; и Эрик Д. Демейн, профессор информатики Массачусетского технологического института. Исследование будет представлено на конференции ASME «Компьютеры и информация в технике».
Изготовление путем складывания
Архитектурные материалы, такие как решетки, часто используются в качестве сердцевины для типа композитного материала, известного как сэндвич-структура. Чтобы представить сэндвич-структуру, представьте себе крыло самолета, в котором ряд пересекающихся диагональных балок образует решетчатое ядро, зажатое между верхней и нижней панелями. Эта решетчатая ферма имеет высокую жесткость и прочность, но при этом очень легкая.
Пластинчатые решетки представляют собой ячеистые конструкции, состоящие из трехмерных пересечений пластин, а не балок. Эти высокопроизводительные конструкции еще прочнее и жестче, чем решетки ферм, но их сложная форма затрудняет их изготовление с использованием обычных методов, таких как 3D-печать, особенно для крупномасштабных инженерных приложений.
Исследователи Массачусетского технологического института преодолели эти производственные проблемы, используя киригами, технику создания трехмерных фигур путем складывания и резки бумаги, которая восходит к японским художникам 7-го века.
Киригами использовался для изготовления пластинчатых решеток из частично сложенных зигзагообразных складок. Но чтобы сделать сэндвич-конструкцию, нужно прикрепить плоские пластины к верху и низу этой гофрированной сердцевины на узкие места, образованные зигзагообразными складками. Для этого часто требуются сильные клеи или методы сварки, которые могут сделать сборку медленной, дорогостоящей и сложной для масштабирования.
Исследователи Массачусетского технологического института модифицировали распространенный узор складок оригами, известный как узор Миура-ори, так что острые точки гофрированной структуры превращаются в грани. Грани, как и на бриллианте, образуют плоские поверхности, к которым пластины можно легче прикрепить с помощью болтов или заклепок.
«Пластинчатые решетки превосходят балочные по прочности и жесткости, сохраняя при этом тот же вес и внутреннюю структуру», — говорит Парра Рубио. «Достижение верхней границы HS для теоретической жесткости и прочности было продемонстрировано с помощью наномасштабного производства с использованием двухфотонной литографии. Строительство пластинчатых решеток было настолько сложным, что в макромасштабе проводилось мало исследований. Мы думаем, что складывание — это путь к более легкому использованию этого типа пластин из металла».
Настраиваемые свойства
Более того, то, как исследователи проектируют, складывают и вырезают шаблон, позволяет им настраивать определенные механические свойства, такие как жесткость, прочность и модуль упругости (склонность материала сопротивляться изгибу). Они кодируют эту информацию, а также трехмерную форму в карту биговок, которая используется для создания этих гофр киригами.
Например, в зависимости от того, как устроены складки, некоторым клеткам можно придать такую форму, чтобы они сохраняли свою форму при сжатии, в то время как другие можно модифицировать, чтобы они изгибались. Таким образом, исследователи могут точно контролировать, как различные области структуры будут деформироваться при сжатии.
Поскольку гибкость конструкции можно контролировать, эти гофры можно использовать в роботах или других динамических приложениях с частями, которые двигаются, скручиваются и изгибаются.
Для создания более крупных структур, таких как роботы, исследователи внедрили процесс модульной сборки. Они массово создают более мелкие узоры складок и собирают их в сверхлегкие и сверхпрочные трехмерные структуры. Меньшие конструкции имеют меньше складок, что упрощает процесс изготовления.
Используя адаптированный узор Миура-ори, исследователи создают узор складок, который придает им желаемую форму и структурные свойства. Затем они используют уникальную машину — стол для резки Zund — для вырезания плоской металлической панели, которую затем складывают в трехмерную форму.
«Чтобы делать такие вещи, как автомобили и самолеты, в инструменты нужно вкладывать огромные средства. Этот производственный процесс не требует инструментов, таких как 3D-печать. Но, в отличие от 3D-печати, наш процесс может установить рекордные свойства материала», — говорит Гершенфельд.
С помощью своего метода они изготовили алюминиевые конструкции с прочностью на сжатие более 62 килоньютонов, но весом всего 90 килограммов на квадратный метр. (Пробка весит около 100 кг на квадратный метр.) Их конструкции были настолько прочными, что могли выдерживать в три раза большую силу, чем обычный алюминиевый гофр.
Этот универсальный метод можно использовать для многих материалов, таких как сталь и композиты, что делает его подходящим для производства легких амортизирующих компонентов для самолетов, автомобилей или космических кораблей.
Однако исследователи обнаружили, что их метод сложно моделировать. Таким образом, в будущем они планируют разработать удобные инструменты проектирования САПР для этих пластинчатых решетчатых структур киригами. Кроме того, они хотят изучить методы снижения вычислительных затрат на моделирование конструкции, обеспечивающей желаемые свойства.
«Гофрированные гофры киригами обладают захватывающим потенциалом для архитектурного строительства», — говорит Джеймс Коулман, март 2014 г., SM 2014, соучредитель компании SumPoint, занимающейся проектированием и монтажом, и бывший вице-президент по инновациям и исследованиям и разработкам в Zahner, который не принимал участия с этой работой. «По моему опыту создания сложных архитектурных проектов, современные методы построения крупномасштабных криволинейных и двоякогнутых элементов являются материалоемкими и расточительными, и поэтому считаются непрактичными для большинства проектов. Хотя технология авторов предлагает новые решения для аэрокосмической и автомобильной промышленности, я считаю, что их клеточный метод также может значительно повлиять на искусственную среду. Возможность изготовления пластинчатых решеток различной геометрии со специфическими свойствами может обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики и более выразительные здания с использованием меньшего количества материалов. Прощай, тяжелые стальные и бетонные конструкции, здравствуй, легкие решетки!»
Парра Рубио, Мундилова и другие аспиранты Массачусетского технологического института также использовали эту технику для создания трех крупномасштабных сложенных произведений искусства из алюминиевого композита, которые выставлены в Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института. Несмотря на то, что каждое произведение имеет длину несколько метров, на изготовление конструкций ушло всего несколько часов.
«В конце концов, художественное произведение возможно только благодаря математическому и инженерному вкладу, который мы показываем в наших работах. Но мы не хотим игнорировать эстетическую силу нашей работы», — говорит Парра Рубио.
Эта работа частично финансировалась Центром консорциумов по исследованию битов и атомов, международной стипендией AAUW и грантом GWI Fay Weber Grant.