Plattgaller kommer att vara den bästa designen för framtida lätta porösa material. Kredit:ETH Zürich / Marc Day
Forskare vid ETH har utvecklat och tillverkat en familj av arkitekturer som maximerar styvheten hos porösa lättviktsmaterial. Det är praktiskt taget omöjligt att utveckla styvare design.
3-D-utskrift och andra additiv produktionsteknik gör det möjligt att tillverka material med inre strukturer av tidigare ofattbar komplexitet. Detta är intressant för lätt konstruktion, för, eftersom det möjliggör utveckling av material som har den högsta möjliga andelen inre tomrum (för att göra materialen så lätta som möjligt) men som samtidigt är så robusta som möjligt. För att uppnå detta krävs att de interna strukturerna är intelligent organiserade för maximal effektivitet.
En forskargrupp från ETH Zürich och MIT ledd av Dirk Mohr, Professor i beräkningsmodellering av material inom tillverkning, har utvecklat och tillverkat materialarkitekturer som är lika starka i alla tre dimensioner, och som samtidigt är extremt stela.
Det är möjligt att matematiskt bestämma hur styva material med inre tomrum teoretiskt sett kan bli; Mohrs strukturer har visat sig komma extremt nära denna teoretiska maximala styvhet. Uttryckt på ett annat sätt, det är praktiskt taget omöjligt att utveckla andra materialstrukturer som är styvare för den givna vikten.
Plattor som ersätter takstolar
Utmärkande för designen är att styvheten i materialets inre uppnås genom plåtgaller snarare än fackverk.
Denna struktur är en av de styvare någonsin. Kredit:Tancogne-Dejean T et al. Avancerade material 2018
"Fackverksprincipen är mycket gammal, den har länge använts för korsvirkeshus, stålbroar och ståltorn, som Eiffeltornet.
Vi kan se genom fackverksgaller, så de uppfattas ofta som idealiska lätta strukturer, " säger professor Mohr. "Men, med hjälp av datorberäkningar, teori och experimentella mätningar, vi har nu etablerat en ny familj av plattgitterstrukturer som är upp till tre gånger styvare än fackverksgaller med samma vikt och volym" (Se ruta.) Och det är inte bara styvheten (motståndet mot elastisk deformation) hos dessa strukturer som närmar sig teoretiska maximala värden:deras styrka (motstånd mot irreversibel deformation) gör, för.
ETH-forskarna utvecklade initialt dessa galler på datorn, beräknar deras egenskaper i processen. Sedan producerade de dem i mikrometerskala från plast till 3D-utskrift. Mohr understryker, dock, att fördelarna med denna design är universellt tillämpliga – för alla ingående material och även på alla längdskalor, från de mycket små (nanometerstora) till de mycket stora.
Exempel på additivt tillverkat polymerplåtgitter (vänster) och ett fackverksgitter (höger). Kuben till vänster är konstruerad av plattor som bara mäter 2 mikrometer i tjocklek. Båda kuberna har en kantlängd på 0,2 millimeter. Kredit:Tancogne-Dejean T et al. Avancerat material 2018
före sin tid
Mohr och hans forskargrupp är före sin tid med dessa nya galler:för närvarande, tillverkning med 3-D-utskrift är fortfarande relativt dyrt. "Om dessa typer av galler skulle tillverkas additivt av rostfritt stål idag, de skulle kosta lika mycket per gram som silver, " säger Mohr. "Men genombrottet kommer när additiv tillverkningsteknik är redo för massproduktion. Lättviktskonstruktion, vars nuvarande kostnad begränsar dess praktiska användning till flygplanstillverkning och rymdtillämpningar, kan då också användas för ett brett spektrum av applikationer där vikt spelar en roll." Förutom att göra strukturer lättare, de många tomrummen minskar också mängden råmaterial som behövs, och därmed även materialkostnaderna.
När det gäller att tåla belastningar i alla tre dimensioner (uppifrån eller under, vänster eller höger, och bak eller fram), plåtgaller har en klar fördel framför fackverksgaller. Följande tankeexperiment hjälper till att förstå detta:Föreställ dig två kuber med mycket tunna ytterväggar. Inuti dem finns stag för att förhindra att kuberna komprimeras när yttre tryck appliceras. En kub använder takstolar, och den andra, plattor (se bild). I båda fallen, materialvolymen, och därmed vikten av den inre strukturen, är identisk. Om en kraft appliceras på fackverksstrukturen (mitten) ovanifrån, en av tre stuts (gul) bär denna kraft. De andra två strävorna (blå) bidrar inte till stabilitet, men de behövs om kraften kommer från ett annat håll. Om, i kontrast, kraft appliceras på plattgittret (höger) ovanifrån, två av de tre plattorna bidrar till dess stabilitet (de gula). Denna form gör mycket bättre användning av de inre stöttorna, så är effektivare. Kredit:ETH Zürich
Det finns ingen gräns för de potentiella applikationerna, säger Mohr. Medicinska implantat, bärbara höljen och ultralätta fordonskonstruktioner är bara tre av många möjliga exempel. "När tiden är mogen, så snart lätta material tillverkas i stor skala, " säger Mohr, "dessa periodiska plattgitter kommer att vara designen att välja."
