Інженери використовують кірігамі для створення надміцних, легких конструкцій

Пористі тверді тіла – це матеріали, що складаються з безлічі комірок, зібраних разом, наприклад, у вигляді сот. Форма цих комірок значною мірою визначає механічні властивості матеріалу, зокрема його жорсткість або міцність. Кістки, наприклад, заповнені природним матеріалом, який дозволяє їм бути легкими, але при цьому жорсткими та міцними.

Натхненні кістками та іншими комірчастими твердими речовинами, що зустрічаються в природі, люди використали ту ж концепцію для розробки архітектурних матеріалів. Змінюючи геометрію елементарних комірок, з яких складаються ці матеріали, дослідники можуть налаштовувати механічні, теплові чи акустичні властивості матеріалу. Архітектурні матеріали використовуються у багатьох сферах, від амортизаційної пакувальної піни до радіаторів, що регулюють тепло.

Використовуючи кірігамі, давнє японське мистецтво складання та різання паперу, дослідники MIT виготовили тип високоефективного армованого матеріалу, відомого як пластинчаста решітка, у значно більших масштабах, ніж вчені раніше могли досягти за допомогою адитивного виробництва. Цей метод дозволяє їм створювати ці структури з металу або інших матеріалів з індивідуальними формами і спеціально підібраними механічними властивостями.

«Цей матеріал схожий на сталевий корок. Він легший за корок, але має високу міцність і високу жорсткість», – говорить професор Ніл Гершенфельд, який очолює Центр бітів і атомів (CBA) в Массачусетському технологічному інституті і є головним автором нової статті про цей підхід.

Дослідники розробили модульний процес будівництва, в якому багато менших компонентів формуються, складаються і збираються в 3D-форми. Використовуючи цей метод, вони виготовили надлегкі та надміцні конструкції та роботів, які під певним навантаженням можуть змінювати форму та утримувати її.

Оскільки ці конструкції є легкими, але міцними, жорсткими і відносно простими у масовому виробництві, вони можуть бути особливо корисними в архітектурі, літакобудуванні, автомобілебудуванні та аерокосмічній галузі.

Разом з Гершенфельдом над статтею працюють співавтори Альфонсо Парра Рубіо (Alfonso Parra Rubio), науковий співробітник CBA, і Клара Мунділова (Clara Mundilova), аспірантка факультету електротехніки та комп’ютерних наук Массачусетського технологічного інституту, а також Девід Прейс (David Preiss), аспірант CBA, і Ерік Д. Демейн (Erik D. Demaine), професор комп’ютерних наук MIT. Результати дослідження будуть представлені на конференції ASME «Комп’ютери та інформація в інженерії».

Виготовлення шляхом згинання

Архітектурні матеріали, такі як решітки, часто використовуються в якості основи для типу композитних матеріалів, відомих як сендвіч-структури. Щоб уявити собі сендвіч-структуру, уявіть собі крило літака, де ряд діагональних балок, що перетинаються, утворюють решітчасте ядро, яке затиснуте між верхньою і нижньою панелями. Така решітка ферми має високу жорсткість і міцність, але при цьому дуже легка.

Пластинчасті решітки – це комірчасті структури, виготовлені з тривимірних перетинів пластин, а не балок. Ці високоефективні структури навіть міцніші та жорсткіші за фермові решітки, але їхня складна форма робить їх складними для виготовлення за допомогою поширених технологій, таких як 3D-друк, особливо для великомасштабних інженерних застосувань.

Дослідники Массачусетського технологічного інституту подолали ці виробничі труднощі за допомогою кірігамі. Це техніка створення 3D-форм шляхом складання та розрізання паперу, яка бере свій початок від японських художників 7-го століття.

Кірігамі використовували для виготовлення пластинчастих решіток з частково складених зигзагоподібних складок. Але для того, щоб зробити сендвіч-структуру, потрібно прикріпити плоскі пластини зверху і знизу цієї гофрованої серцевини на вузькі місця, утворені зигзагоподібними складками. Для цього часто потрібні міцні клеї або зварювальні технології, які можуть зробити збірку повільною, дорогою і складною для масштабування.

Дослідники Массачусетського технологічного інституту модифікували звичайний візерунок складок орігамі, відомий як візерунок Міура-орі, так що гострі точки гофрованої структури перетворилися на грані. Грані, подібно до алмазів, створюють плоскі поверхні, до яких легше прикріплювати пластини за допомогою болтів або заклепок.

«Пластинчасті решітки перевершують балочні решітки за міцністю та жорсткістю, зберігаючи при цьому таку ж вагу та внутрішню структуру», – каже Парра Рубіо. «Досягнення верхньої межі теоретичної жорсткості та міцності H-S було продемонстровано завдяки нанорозмірному виробництву з використанням двофотонної літографії. Конструювання пластинчастих решіток було настільки складним, що досліджень на макрорівні було мало. Ми вважаємо, що складання – це шлях до більш легкого використання цього типу пластинчастої структури з металів».

Властивості, що налаштовуються

Більше того, те, як дослідники проектують, складають і вирізають візерунок, дозволяє їм налаштовувати певні механічні властивості, такі як жорсткість, міцність і модуль пружності (здатність матеріалу чинити опір згинанню). Вони кодують цю інформацію, а також тривимірну форму, у карту згинів, яка використовується для створення гофрів кірігамі.

Залежно від того, як побудовані складки, деякі комірки можуть бути сформовані таким чином, щоб вони зберігали свою форму при стисканні. Тоді як інші можуть бути модифіковані так, щоб вони згиналися. Таким чином, дослідники можуть точно контролювати, як різні ділянки структури будуть деформуватися при стисканні.

Оскільки гнучкість структури можна контролювати, ці гофри можна використовувати в роботах або інших динамічних пристроях з частинами, що рухаються, скручуються і згинаються.

Для створення більших конструкцій, таких як роботи, дослідники запровадили модульний процес складання. Вони масово виробляють менші шаблони складок і збирають їх у надлегкі та надміцні 3D-структури. Менші структури мають менше складок, що спрощує процес виробництва.

Використовуючи адаптований візерунок Міура-орі, дослідники створюють візерунок складок, який дасть їм бажану форму та структурні властивості. Потім вони використовують унікальний верстат – розкрійний стіл Zund – щоб вирізати плоску металеву панель, яку потім складають у 3D-форму.

«Для виробництва таких речей, як автомобілі та літаки, величезні інвестиції йдуть на оснащення. Цей виробничий процес, як і 3D-друк, обходиться без інструментів. Але на відміну від 3D-друку, наш процес може встановити межу для рекордних властивостей матеріалу», – каже Гершенфельд.

Використовуючи свій метод, вони виготовили алюмінієві конструкції з міцністю на стиск понад 62 кілоньютони, але вагою лише 90 кілограмів на квадратний метр. (Пробка важить близько 100 кілограмів на квадратний метр.) Їхні конструкції були настільки міцними, що могли витримати втричі більше зусилля, ніж звичайна алюмінієва гофра.

Ця універсальна технологія може бути використана для багатьох матеріалів, таких як сталь і композити. Це робить її добре придатною для виробництва легких, амортизуючих компонентів для літаків, автомобілів або космічних кораблів.

Однак дослідники виявили, що їхній метод може бути складним для моделювання. Тому в майбутньому вони планують розробити зручні для користувача інструменти САПР для проектування цих структур пластинчастих решіток кірігамі. Крім того, вони хочуть дослідити методи зменшення обчислювальних витрат на моделювання конструкції, яка дає бажані властивості.

Парра Рубіо, Мунділова та інші аспіранти Массачусетського технологічного інституту також використали цю техніку для створення трьох великомасштабних складених творів мистецтва з алюмінієвого композиту, які виставлені в Медіалабораторії MIT. Незважаючи на те, що кожна робота має кілька метрів у довжину, на виготовлення конструкцій пішло лише кілька годин.

«Зрештою, художній твір можливий лише завдяки математичним та інженерним досягненням, які ми показуємо в наших роботах. Але ми не хочемо ігнорувати естетичну силу нашої роботи», – каже Парра Рубіо.

Ця робота була частково профінансована дослідницькими консорціумами Центру бітів та атомів, міжнародною стипендією AAUW та грантом GWI Fay Weber.

Нещодавно 3D-друкований роботизований захват, що не потребує електроніки для роботи був розроблений командою робототехніків з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.