Τα σκληρότερα πορώδη ελαφρά υλικά που έγιναν ποτέ

Οι ερευνητές, μεταξύ των οποίων και η διδακτορική φοιτήτρια Μ. Διαμαντοπούλου, στο ETH έχουν αναπτύξει και κατασκευάσει μια οικογένεια αρχιτεκτονικών δομών που μεγιστοποιεί την ακαμψία ελαφρού πορώδους υλικού. Είναι πρακτικά αδύνατο να αναπτυχθούν σκληρότερα σχέδια.

Τα πλέγματα από πλάκες θα είναι η επιλογή του μέλλοντος για ελαφριά πορώδη υλικά

(Visualizations: ETH Zurich / Marc Day)

Οι τεχνικές 3D εκτύπωσης και άλλων τεχνικών προσθετικής κατασκευαστικής κάνουν δυνατή την κατασκευή υλικών με εσωτερικές δομές πολυπλοκότητας που ήταν προηγουμένως αδιανόητες. Αυτό είναι ενδιαφέρον και για τις ελαφριές κατασκευές, καθώς επιτρέπει την ανάπτυξη υλικών που έχουν το υψηλότερο δυνατό ποσοστό εσωτερικών κενών (ώστε να γίνουν τα υλικά όσο το δυνατόν ελαφρύτερα) αλλά ταυτόχρονα είναι όσο το δυνατόν πιο ανθεκτικά. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο, οι εσωτερικές δομές πρέπει να οργανώνονται έξυπνα για μέγιστη αποτελεσματικότητα.

Μια ερευνητική ομάδα του Ελβετικού Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας στη Ζυρίχη (ETH Zurich) και του MIT υπό την καθοδήγηση του Dirk Mohr, καθηγητή Υπολογιστικής Μοντελοποίησης Υλικών στη Βιομηχανία, έχει αναπτύξει και κατασκευάσει αρχιτεκτονικές δομές υλικών που είναι εξίσου ισχυρές και στις τρεις διαστάσεις και είναι ταυτόχρονα εξαιρετικά δύσκαμπτες.

Είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μαθηματικά σε θεωρητικό επίπεδο πόσο σκληρά μπορούν να γίνουν υλικά που έχουν εσωτερικά κενά. Οι δομές της Διαμαντοπούλου και του Mohr έχουν αποδειχθεί ότι έρχονται πολύ κοντά σε αυτή τη θεωρητικά μέγιστη δυσκαμψία. Με άλλα λόγια, είναι πρακτικά αδύνατο να αναπτύξουμε άλλες δομές υλικών που είναι πιο δύσκαμπτες για το δεδομένο βάρος υλικού.

Οι πλάκες αντικαθιστούν τις δοκούς

Αυτή η δομή είναι μία από τις πιο άκαμπτες.
(Πηγή: Tancogne-Dejean Τ et al., Advanced Materials 2018)

Μια χαρακτηριστική ιδιότητα του σχεδιασμού είναι ότι η ακαμψία στο εσωτερικό του υλικού επιτυγχάνεται μέσω πλέγματος από πλακες και όχι με πλέγμα από δοκούς.
"Η αρχή της στήριξης είναι πολύ παλιά. εδώ και καιρό έχει χρησιμοποιηθεί για σπίτια με ξυλεία, χαλύβδινες γέφυρες και πύργους από χάλυβα, όπως ο Πύργος του Άιφελ.

 Μέσω των δικτυωτών πλέγματος μπορούμε να δούμε, έτσι συχνά θεωρούνται ως ιδανικές ελαφρές κατασκευές ", λέει ο καθηγητής Mohr. "Ωστόσο, χρησιμοποιώντας υπολογισμούς με υπολογιστές, θεωρητικές και πειραματικές μετρήσεις, έχουμε πλέον δημιουργήσει μια νέα οικογένεια δομών πλέγματος με πλάκες που είναι μέχρι τρεις φορές πιο δύσκαμπτες από τα πλέγματα με το ίδιο βάρος και όγκο". Και δεν είναι μόνο η ακαμψία (αντοχή στις ελαστικές παραμορφώσεις) αυτών των δομών που πλησιάζει τις θεωρητικές μέγιστες τιμές, αλλά είναι και η αντοχή τους (αντοχή σε μη αναστρέψιμη παραμόρφωση).

Οι ερευνητές του ETH ανέπτυξαν αρχικά αυτά τα πλέγματα στον υπολογιστή, υπολογίζοντας τις ιδιότητές τους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Στη συνέχεια τα παρήγαγαν στην κλίμακα μικρομέτρου από πλαστικό μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ωστόσο, ο Mohr υπογραμμίζει ότι τα πλεονεκτήματα αυτού του σχεδιασμού είναι γενικά εφαρμόσιμα - για όλα τα υλικά κατασκευής αλλά και για όλες τις κλίμακες μεγέθους, από τα πολύ μικρά (μεγέθους νανομέτρων) μέχρι τα πολύ μεγάλα.

Παράδειγμα πλέγματος πολυμερούς με πλέγμα από πλάκες-(αριστερά) και πλέγματος από δοκούς (δεξιά). Ο κύβος στα αριστερά κατασκευάζεται από πλάκες πάχους μόλις 2 μικρών. Και οι δύο κύβοι έχουν μήκος ακμής 0,2 mm.

(Πηγή: Tancogne-Dejean Τ et al., Advanced Materials 2018)caption

Πριν από την εποχή τους

Ο Mohr και η ερευνητική ομάδα του είναι μπροστά από το χρόνο τους με αυτές τις νέες κυψελίδες: επί του παρόντος, η κατασκευή με τρισδιάστατη εκτύπωση εξακολουθεί να είναι σχετικά δαπανηρή. "Εάν αυτά τα είδη πλέγματος κατασκευαστούν από ανοξείδωτο χάλυβα, θα κοστίζουν ανά γραμμάριο τόσο όσο και το ασήμι", λέει ο Mohr. "Αλλά η επανάσταση θα έρθει όταν οι προσθετικές τεχνολογίες παραγωγής είναι έτοιμες για μαζική παραγωγή. Η ελαφριά κατασκευή, το τρέχον κόστος της οποίας περιορίζει την πρακτική χρήση της μόνο στην κατασκευή αεροσκαφών και σε διαστημικές εφαρμογές, θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί και για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στις οποίες το βάρος παίζει ρόλο. " Εκτός από την κατασκευή ελαφρύτερων δομών, ο πολύς κενός χώρος στις κυψελίδες μειώνει την ποσότητα των απαραίτητων πρώτων υλών και συνεπώς και το κόστος υλικών.

Δεν υπάρχει όριο στις πιθανές εφαρμογές, λέει ο Mohr. Τα ιατρικά εμφυτεύματα, τα περιβλήματα φορητών υπολογιστών και οι υπερελαφρές κατασκευές οχημάτων είναι μόνο τρία από πολλά πιθανά παραδείγματα. "Όταν έρθει η κατάλληλη στιγμή, μόλις κατασκευαστούν αυτά τα ελαφριά υλικά σε μεγάλη κλίμακα", λέει ο Mohr, "αυτά τα περιοδικά πλέγματα με πλάκες θα είναι το προτιμώμενο σχέδιο".

Γιατί τα πλέγματα με πλάκες είναι πιο ανθεκτικά από τα πλέγματα με δοκούς

Όταν πρόκειται για φορτίσεις αντοχής και στις τρεις διαστάσεις (από πάνω ή κάτω, αριστερά ή δεξιά, και πίσω ή εμπρός), τα πλέγματα με πλάκες έχουν σαφές πλεονέκτημα σε σχέση με τα πλέγματα με ράβδους. Το παρακάτω πείραμα σκέψης βοηθάει στην κατανόηση αυτού: Φανταστείτε δύο κύβους με πολύ λεπτούς εξωτερικούς τοίχους. Στο εσωτερικό τους υπάρχουν δοκοί για να αποφευχθεί η συμπίεση των κύβων όταν εφαρμόζεται εξωτερική πίεση. Ένας κύβος χρησιμοποιεί δοκούς, και ο άλλος, πλάκες (βλέπε εικόνα). Και στις δύο περιπτώσεις, ο όγκος του υλικού, και συνεπώς το βάρος της εσωτερικής δομής, είναι πανομοιότυπος.

Αν μια δύναμη εφαρμοστεί στη δομή της δοκού (κέντρο) από πάνω, μία από τις τρεις ράβδους (η κίτρινη) φέρει αυτή τη δύναμη. Οι άλλες δύο δοκοί (μπλε) δεν συμβάλλουν στη σταθερότητα, αλλά χρειάζονται σε περίπτωση που η δύναμη προέρχεται από άλλη κατεύθυνση. Αν, αντίθετα, εφαρμόζεται δύναμη πάνω στο πλέγμα πλάκας (δεξιά) από πάνω, δύο από τις τρεις πλάκες συμβάλλουν στη σταθερότητά του (οι κίτρινες). Αυτή η φόρμα κάνει πολύ καλύτερη χρήση των εσωτερικών στηριγμάτων, επομένως είναι πιο αποτελεσματική.

Πηγή:
Tancogne-Dejean T, Diamantopoulou M, Gorji MB, Bonatti C, Mohr D: 3D Plate-Lattices: An Emerging Class of Low-Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness. Advanced Materials 2018, 30: 1803334, doi: 10.1002/adma.201803334