MIT inžinieriai naudoja kirigamį ypač stiprioms, lengvoms konstrukcijoms gaminti

Adamas Zewe | MIT naujienos

Ląstelinės kietosios medžiagos yra medžiagos, sudarytos iš daugybės ląstelių, kurios buvo supakuotos, pavyzdžiui, korio. Šių ląstelių forma daugiausia lemia medžiagos mechanines savybes, įskaitant jos standumą ar stiprumą. Pavyzdžiui, kaulai užpildyti natūralia medžiaga, kuri leidžia jiems būti lengviems, bet standiems ir tvirtiems.

Įkvėpti kaulų ir kitų gamtoje esančių ląstelių kietųjų dalelių, žmonės naudojo tą pačią koncepciją kurdami architektūrines medžiagas. Keisdami vienetinių elementų, sudarančių šias medžiagas, geometriją, mokslininkai gali pritaikyti medžiagos mechanines, šilumines ar akustines savybes. Architektūros medžiagos naudojamos daugelyje sričių – nuo ​​smūgius sugeriančių pakavimo putų iki šilumą reguliuojančių radiatorių.

Naudodami kirigami, senovės japonų lankstymo ir pjaustymo popierių, MIT mokslininkai dabar pagamino didelio našumo architektūrinę medžiagą, vadinamą plokščių grotelėmis, daug didesniu mastu, nei anksčiau mokslininkai galėjo pasiekti gamindami priedus. Ši technika leidžia jiems sukurti šias konstrukcijas iš metalo ar kitų medžiagų, turinčių pasirinktines formas ir specialiai pritaikytas mechanines savybes.

„Ši medžiaga yra kaip plieninė kamštiena. Jis yra lengvesnis už kamštį, bet pasižymi dideliu stiprumu ir standumu“, – sako profesorius Neilas Gershenfeldas, vadovaujantis MIT Bitų ir atomų centrui (CBA) ir vyresnysis naujo dokumento apie šį metodą autorius.

Mokslininkai sukūrė modulinį konstravimo procesą, kurio metu formuojama, sulankstoma ir surenkama į 3D formas daug mažesnių komponentų. Naudodami šį metodą, jie pagamino itin lengvas ir itin stiprias konstrukcijas bei robotus, kurie, esant tam tikrai apkrovai, gali keistis ir išlaikyti savo formą.

Kadangi šios konstrukcijos yra lengvos, bet tvirtos, standžios ir gana lengvai masiškai gaminamos didesniu mastu, jos gali būti ypač naudingos architektūriniams, lėktuvų, automobilių ar kosmoso komponentams.

Straipsnyje prie Gershenfeldo prisijungia vienas iš pirmaujančių autorių Alfonso Parra Rubio, CBA mokslinio tyrimo asistentas ir Klara Mundilova, MIT elektros inžinerijos ir informatikos magistrantūros studentė; kartu su Davidu Preissu, CBA absolventu; ir Erikas D. Demaine’as, MIT kompiuterių mokslo profesorius. Tyrimas bus pristatytas ASME konferencijoje Kompiuteriai ir informacija inžinerijoje.

Tyrėjai suaktyvina gofruotą konstrukciją, įtempdami plieninius laidus per reikalavimus atitinkančius paviršius ir sujungdami juos su skriemulių ir variklių sistema, leidžiančia konstrukcijai lenkti bet kuria kryptimi. Vaizdas: tyrėjų sutikimas

Gaminimas lankstymo būdu

Architektūros medžiagos, pavyzdžiui, grotelės, dažnai naudojamos kaip sudėtinės medžiagos, žinomos kaip sumuštinių struktūra, šerdys. Norėdami įsivaizduoti daugiasluoksnę konstrukciją, pagalvokite apie lėktuvo sparną, kuriame eilė susikertančių įstrižų sijų sudaro grotelių šerdį, įterptą tarp viršutinės ir apatinės plokštės. Šios santvaros grotelės pasižymi dideliu standumu ir stiprumu, tačiau yra labai lengvos.

Plokštelių grotelės yra ląstelinės struktūros, pagamintos iš trimačių plokščių susikirtimų, o ne iš sijų. Šios didelio našumo konstrukcijos yra dar stipresnės ir standesnės nei santvaros grotelės, tačiau dėl jų sudėtingos formos jas sudėtinga gaminti naudojant įprastas technologijas, tokias kaip 3D spausdinimas, ypač didelės apimties inžinerinėms programoms.

MIT mokslininkai įveikė šiuos gamybos iššūkius naudodami kirigami – 3D formų kūrimo lankstymo ir pjaustymo popierių techniką, kurios istorija siejama su japonų menininkais VII amžiuje.

„Kirigami“ buvo naudojamas plokščių grotelių gamybai iš iš dalies sulenktų zigzaginių raukšlių. Tačiau norint sukurti sumuštinį, šios gofruotos šerdies viršuje ir apačioje reikia pritvirtinti plokščias plokštes ant siaurų taškų, suformuotų zigzago raukšlių. Tam dažnai reikia tvirtų klijų arba suvirinimo metodų, dėl kurių surinkimas gali būti lėtas, brangus ir sudėtingas.

MIT mokslininkai pakeitė įprastą origami raukšlių modelį, žinomą kaip Miura-ori raštas, todėl aštrūs gofruotojo kartono struktūros taškai paverčiami briaunomis. Fasetai, kaip ir ant deimanto, suteikia plokščius paviršius, prie kurių plokštes galima lengviau pritvirtinti varžtais arba kniedėmis.

MIT mokslininkai pakeitė įprastą origami raukšlių modelį, žinomą kaip Miura-ori raštas, todėl aštrūs gofruotojo kartono struktūros taškai paverčiami briaunomis. Fasetai, kaip ir ant deimanto, suteikia plokščius paviršius, prie kurių plokštes galima lengviau pritvirtinti varžtais arba kniedėmis. Vaizdas: tyrėjų sutikimas

„Plokštelių grotelės lenkia sijų groteles stiprumu ir standumu, išlaikant tą patį svorį ir vidinę struktūrą”, – sako Parra Rubio. „Pasiekti viršutinę teorinio standumo ir stiprumo HS ribą buvo įrodyta nanoskalės gamyba naudojant dviejų fotonų litografiją. Plokštelių grotelių konstrukcija buvo tokia sudėtinga, kad makro masto tyrimų buvo mažai. Manome, kad lankstymas yra būdas lengviau panaudoti tokio tipo plokščių struktūrą, pagamintą iš metalų.

Pritaikomos savybės

Be to, tyrėjų modelio projektavimo, lankstymo ir pjaustymo būdas leidžia jiems sureguliuoti tam tikras mechanines savybes, tokias kaip standumas, stiprumas ir lenkimo modulis (medžiagos polinkis atsispirti lenkimui). Jie užkoduoja šią informaciją, taip pat ir 3D formą, į raukšlių žemėlapį, kuris naudojamas kuriant šias kirigami bangas.

Pavyzdžiui, atsižvelgiant į tai, kaip suprojektuotos raukšlės, kai kurios ląstelės gali būti suformuotos taip, kad suspaustos išlaikytų savo formą, o kitos gali būti pakeistos, kad jos sulenktų. Tokiu būdu mokslininkai gali tiksliai kontroliuoti, kaip skirtingos struktūros sritys deformuos suspaudus.

Kadangi konstrukcijos lankstumas gali būti kontroliuojamas, šios bangos gali būti naudojamos robotuose ar kitose dinamiškose programose, kuriose dalys juda, sukasi ir lenkia.

Norėdami sukurti didesnes konstrukcijas, tokias kaip robotai, mokslininkai pristatė modulinį surinkimo procesą. Jie masiškai gamina mažesnius raukšlių raštus ir surenka juos į itin lengvas ir itin stiprias 3D struktūras. Mažesnėse konstrukcijose yra mažiau raukšlių, o tai supaprastina gamybos procesą.

Naudodami pritaikytą Miura-ori raštą, mokslininkai sukuria raukšlių raštą, kuris suteiks norimą formą ir struktūrines savybes. Tada jie naudoja unikalią mašiną – Zund pjovimo stalą – plokščią metalinę plokštę, kuri sulankstoma į 3D formą.

„Norint pagaminti tokius dalykus kaip automobiliai ir lėktuvai, didžiulė investicija skiriama į įrankius. Šis gamybos procesas yra be įrankių, pavyzdžiui, 3D spausdinimo. Tačiau skirtingai nei 3D spausdinimas, mūsų procesas gali nustatyti įrašų medžiagų savybių ribą“, – sako Gershenfeldas.

Taikydami savo metodą, jie pagamino aliuminio konstrukcijas, kurių gniuždymo stipris yra didesnis nei 62 kiloniutonai, bet sveria tik 90 kilogramų kvadratiniam metrui. (Kv. metras sveria apie 100 kilogramų kamštienos.) Jų konstrukcijos buvo tokios stiprios, kad atlaikė tris kartus didesnę jėgą nei tipinė aliuminio banga.

Naudodami savo metodą, mokslininkai pagamino aliuminio konstrukcijas, kurių gniuždymo stipris yra didesnis nei 62 kiloniutonai, bet sveria tik 90 kilogramų vienam kvadratiniam metrui. Vaizdas: tyrėjų sutikimas

Universali technika gali būti naudojama daugeliui medžiagų, tokių kaip plienas ir kompozitai, todėl ji puikiai tinka gaminti lengvus, amortizacinius lėktuvų, automobilių ar erdvėlaivių komponentus.

Tačiau mokslininkai nustatė, kad jų metodą gali būti sunku modeliuoti. Taigi ateityje jie planuoja sukurti patogius CAD projektavimo įrankius šioms kirigami plokščių grotelių konstrukcijoms. Be to, jie nori ištirti būdus, kaip sumažinti skaičiavimo sąnaudas modeliuojant dizainą, kuris duoda norimas savybes.

„Kirigami gofruotės turi įdomų architektūrinės statybos potencialą“, – sako Jamesas Colemanas MARCH ’14, SM ’14, gamybos ir montavimo įmonės SumPoint projektavimo įkūrėjas ir buvęs Zahner viceprezidentas inovacijoms ir MTTP, kuris nedalyvavo. su šiuo darbu. „Mano patirtis rengiant sudėtingus architektūrinius projektus, dabartiniai didelio masto lenktų ir dvigubai išlenktų elementų kūrimo metodai yra daug medžiagų reikalaujantys ir švaistomi, todėl daugeliui projektų laikomi nepraktiški. Nors autorių technologija siūlo naujus sprendimus aviacijos ir automobilių pramonei, manau, kad jų ląstelių metodas taip pat gali reikšmingai paveikti pastatytą aplinką. Galimybė gaminti įvairias plokščių grotelių geometrijas, pasižyminčias specifinėmis savybėmis, gali sudaryti sąlygas geresniems ir išraiškingesniems pastatams naudojant mažiau medžiagų. Viso gero, sunkios plieninės ir betoninės konstrukcijos, sveiki lengvos grotelės!

Parra Rubio, Mundilova ir kiti MIT absolventai taip pat naudojo šią techniką kurdami tris didelio masto sulankstytus meno kūrinius iš aliuminio kompozito, kurie eksponuojami MIT Media Lab. Nepaisant to, kad kiekvienas meno kūrinys yra kelių metrų ilgio, konstrukcijos užtruko vos kelias valandas.

„Galų gale, meninis kūrinys įmanomas tik dėl matematikos ir inžinerijos indėlio, kurį rodome savo dokumentuose. Tačiau nenorime ignoruoti estetinės savo darbų galios“, – sako Parra Rubio.

Šį darbą iš dalies finansavo Bitų ir atomų tyrimų konsorciumo centras, AAUW tarptautinė stipendija ir GWI Fay Weber Grant.