MIT: Киригами поможет создать архитектурные материалы с улучшенными свойствами

Ячеистые твердые тела — это материалы, состоящие из множества ячеек, упакованных друг в друга, например, соты. Форма этих ячеек во многом определяет механические свойства материала, в том числе его жесткость или прочность. Например, кости заполнены природным материалом, который позволяет им быть легкими, но жесткими и прочными.

Вдохновившись костями и другими ячеистыми твердыми телами, встречающимися в природе, люди использовали ту же концепцию для создания архитектонических материалов. Изменяя геометрию ячеек, из которых состоят эти материалы, исследователи могут изменять их механические, тепловые или акустические свойства. Архитектурные материалы находят широкое применение — от амортизирующей упаковочной пены до теплорегулирующих радиаторов.

Используя киригами — древнее японское искусство складывания и разрезания бумаги, — исследователи Массачусетского технологического института изготовили тип высокоэффективного архитектонического материала, известного как пластинчатая решетка, в гораздо больших масштабах, чем ученым удавалось достичь ранее с помощью аддитивного производства. Эта технология позволяет создавать такие структуры из металла или других материалов с нестандартными формами и специально подобранными механическими свойствами.

Этот материал похож на стальную пробку. Он легче пробки, но обладает высокой прочностью и жесткостью, — говорит профессор Нил Гершенфельд, возглавляющий Центр битов и атомов (CBA) Массачусетского технологического института и являющийся старшим автором новой работы, посвященной этому подходу.

Исследователи разработали модульную конструкцию, в которой множество мелких компонентов формируются, складываются и собираются в трехмерные формы. Используя этот метод, они изготовили сверхлегкие и сверхпрочные конструкции и роботов, которые под действием заданной нагрузки могут менять и сохранять свою форму.

Поскольку такие структуры легки, но прочны, жестки и относительно просты для массового производства в больших масштабах, они могут быть особенно полезны в архитектурных, самолетных, автомобильных и аэрокосмических компонентах.

Вместе с Гершенфельдом над статьей работали соавторы Альфонсо Парра Рубио, научный сотрудник CBA, и Клара Мундилова, аспирантка MIT по электротехнике и информатике, а также Дэвид Прейс, аспирант CBA, и Эрик Д. Демейн, профессор информатики MIT. Результаты исследования будут представлены на конференции ASME «Компьютеры и информация в машиностроении».

Изготовление путем складывания

Архитектурные материалы, такие как решетки, часто используются в качестве основы для композитных материалов, известных как сэндвич-структуры. Чтобы представить себе сэндвич-структуру, вспомните крыло самолета, где ряд пересекающихся диагональных балок образует решетчатый сердечник, зажатый между верхней и нижней панелями. Такая ферменная решетка обладает высокой жесткостью и прочностью, но при этом очень легка.

Пластинчатые решетки представляют собой ячеистые конструкции, состоящие не из балок, а из трехмерных пересечений пластин. Эти высокоэффективные структуры еще более прочные и жесткие, чем ферменные решетки, но их сложная форма затрудняет их изготовление с помощью обычных технологий, таких как 3D-печать, особенно для крупномасштабных инженерных приложений.

Исследователи Массачусетского технологического института решили эту проблему с помощью киригами — техники создания трехмерных форм путем складывания и разрезания бумаги, которая ведет свою историю от японских художников VII века.

Киригами использовалась для создания пластинчатых решеток из частично сложенных зигзагообразных складок. Но для создания многослойной структуры необходимо прикрепить плоские пластины сверху и снизу этой гофрированной сердцевины на узкие места, образованные зигзагообразными складками. Для этого часто требуются сильные клеи или сварочные технологии, что может сделать сборку медленной, дорогостоящей и сложной для масштабирования.

Исследователи Массачусетского технологического института модифицировали распространенный рисунок складок оригами, известный как рисунок Миура-ори, таким образом, что острые точки гофрированной структуры превращаются в грани. Грани, как на алмазе, обеспечивают плоскую поверхность, к которой легче прикрепить пластины с помощью болтов или заклепок.

Пластинчатые решетки превосходят балочные решетки по прочности и жесткости при сохранении той же массы и внутренней структуры, — говорит Парра Рубио.

Достижение верхней границы H-S для теоретической жесткости и прочности было продемонстрировано с помощью наноразмерного производства с использованием двухфотонной литографии. Создание пластинчатых решеток оказалось настолько сложным, что исследования в макромасштабе практически не проводились. Мы считаем, что складывание — это путь к более простому использованию такого типа пластинчатых структур из металлов.

Настраиваемые свойства

Кроме того, способ, которым исследователи разрабатывают, складывают и вырезают шаблон, позволяет им настраивать определенные механические свойства, такие как жесткость, прочность и модуль упругости (способность материала сопротивляться изгибу). Эту информацию, а также трехмерную форму они кодируют в карту складок, которая используется для создания гофров киригами.

Например, в зависимости от того, как устроены складки, одним ячейкам можно придать такую форму, чтобы они сохраняли свою форму при сжатии, а другие можно изменить так, чтобы они изгибались. Таким образом, исследователи могут точно контролировать деформацию различных участков структуры при сжатии.

Поскольку гибкость структуры можно контролировать, такие гофры могут использоваться в роботах и других динамических устройствах с подвижными, скручивающимися и изгибающимися деталями.

Для создания более крупных структур, таких как роботы, исследователи применили модульный процесс сборки. Они массово производят небольшие гофры и собирают их в сверхлегкие и сверхпрочные 3D-структуры. Маленькие структуры имеют меньшее количество складок, что упрощает процесс изготовления.

Используя адаптированный шаблон Миура-ори, исследователи создают шаблон складок, который обеспечивает желаемую форму и структурные свойства. Затем с помощью уникального станка — стола для резки Zund — они вырезают плоскую металлическую панель, которую складывают в трехмерную форму.

Для производства таких вещей, как автомобили и самолеты, требуются огромные инвестиции в оснастку. Этот производственный процесс, как и 3D-печать, не требует оснастки. Но в отличие от 3D-печати, наш процесс может установить предел для рекордных свойств материала, — говорит Гершенфельд.

Используя свой метод, они создали алюминиевые конструкции с прочностью на сжатие более 62 килоньютонов, но массой всего 90 кг на квадратный метр. (Пробка весит около 100 кг/м²) Такие структуры были настолько прочными, что могли выдерживать в три раза большее усилие, чем обычная алюминиевая гофра.

Этот универсальный метод может быть использован для многих материалов, таких как сталь и композиты, что делает его вполне подходящим для производства легких амортизирующих компонентов для самолетов, автомобилей и космических аппаратов.

Однако исследователи обнаружили, что их метод может оказаться сложным для моделирования. Поэтому в будущем они планируют разработать удобные средства автоматизированного проектирования для таких решетчатых структур из киригами-пластин. Кроме того, они хотят изучить методы снижения вычислительных затрат на моделирование конструкции, обеспечивающей требуемые свойства.

Парра Рубио, Мундилова и другие аспиранты MIT также использовали эту технику для создания трех крупномасштабных складчатых художественных работ из алюминиевого композита, которые выставлены в MIT Media Lab. Несмотря на то, что длина каждого произведения искусства составляет несколько метров, изготовление конструкций заняло всего несколько часов.

В конце концов, художественное произведение возможно только благодаря математическому и инженерному вкладу, который мы демонстрируем в наших работах. Но мы не хотим игнорировать эстетическую силу нашей работы, — заключает Парра Рубио.

22.08.2023