Blocurile asemănătoare jucăriilor fac structuri ușoare și puternice

Un schelet din fibră de carbon de blocuri de construcție asemănătoare Tinkertoy este de 10 ori mai rigid decât structurile cu densități similare. Și pentru că cadrul este făcut în mare parte din piese identice, piesele rupte pot fi schimbate cu ușurință cu altele noi, raportează inventatorii săi în 16 august. Ştiinţă. Noul design ar putea forma într-o zi oase ușoare, rigide și ușor de reparat ale corpurilor de avioane, bicicletelor, podurilor și chiar clădirilor.

„Este fascinant”, spune cercetătorul Rainer Adelung de la Universitatea Kiel din Germania. „Când citiți acest articol, vă gândiți: „De ce nu a făcut nimeni asta până acum?” Este o idee simplă, dar are un impact atât de mare.”

De ani de zile, bicicletele de lux și mașinile de lux au folosit fibre de carbon lipite între ele, numite compozite, pentru a reduce greutatea cadrelor lor. Acum, producătorii încep să creeze secțiuni uriașe de avioane în bucăți unice de materiale ușoare. Mai puține piese înseamnă mai puține îmbinări, care tind să fie grele și dificil de fixat.

Deci producătorii vor să facă piese de avion și mai mari. În 2008, Spirit AeroSystems, un producător care produce piese pentru Boeing și Airbus, a venit la inginerul de materiale MIT Kenneth Cheung și la liderul său de laborator, Neil Gershenfeld, cu o idee sălbatică: ce ar fi dacă ar putea imprima 3-D un avion întreg într-un singur avion gigantic. bucată?

Cheung și Gershenfeld aveau îndoieli. Deși o bucată uriașă de compozit are mai puține îmbinări, poate fi greu de reparat, spune Cheung. Când compozitele se sparg, se sparg la mare măsură. Un batjocor suficient de violent pentru a sparge o piesă compozită într-un singur loc are un efect de domino. Energia accidentului revine prin piesă, explodând-o în mai multe locuri.

Așa că Cheung și Gershenfeld au venit cu ideea de a asambla un avion din milioane de piese identice, mai degrabă decât una enormă.

Cheung s-a jucat cu mai multe modele, tăind forme din carton și placaj înainte de a se așeza pe unitatea repetabilă: un „X” plat din compozit din fibră de carbon, cu o gaură în centru și o buclă la capătul fiecărui braț. Unitatea are 2 inci lungime, spune Cheung, dar se poate scala la aproape orice dimensiune. „Poți să te gândești la el ca la un Lego cu adevărat performant”, spune el.

Cheung a agățat X-urile împreună pentru a face rețele în formă de cub din piramide triunghiulare repetate și apoi a zdrobit structurile pentru a le măsura rezistența și rigiditatea. Un cub de 8 inci cam la fel de greu ca un ou ar putea susține mai mult de 650 de lire sterline înainte de a se mototoli, spune Cheung. Și având în vedere greutatea foarte mică a materialului, spune Adelung, zăbrelele sunt „remarcabil de rigide”.

Geometria rețelei cubului este o parte cheie a rigidității și rezistenței sale. „Dacă ai construi o grămadă de piramide triunghiulare din scobitori și bezele, probabil că ai putea pune o carte deasupra”, spune Cheung.

Când structurile compozite ale lui Cheung și Gershenfeld și-au atins punctul de rupere, bucățile individuale din zăbrele s-au rupt, limitând pauzele la puncte discrete. Această proprietate utilă ar permite producătorilor care utilizează designul să obțină controlul daunelor structurale. „Puteți înlocui progresiv piesele individuale, știind că structura este complet stabilă în timp ce treceți prin acest proces”, spune Cheung. El își propune să folosească roboți pentru a construi structurile și a se târă prin ele, inspectând piesele și schimbând piesele crăpate.

Cercetătorii au modificat, de asemenea, flexibilitatea structurilor lor prin introducerea unor piese mai subțiri, mai flexibile, în zăbrele. Prin potrivirea acestor piese în anumite părți ale rețelei, cercetătorii ar putea forța anumite zone să se încline, menținând alte zone rigide. Într-un avion, acest tip de design ar putea permite piloților să-și manevreze ambarcațiunile prin îndoirea aripilor în loc să ridice și să coboare clapetele.

Structurile nu sunt aproape de a rivaliza cu rezistența și rigiditatea materialelor mai dense, spune James Tour, un chimist de materiale la Universitatea Rice din Houston. Dar sunt incredibil de ușori – iar pentru mașini, avioane și nave spațiale, spune el, „greutatea este o preocupare uriașă”.

În septembrie, Cheung se va alătura NASA pentru a crea zăbrele pentru structurile din spațiu.