Oamenii de știință imprimă 3D noi structuri biomimetice, rezistente la impact, inspirate de sepie

Oamenii de știință imprimă 3D noi structuri biomimetice, rezistente la impact, inspirate de sepie

Cercetătorii de la Universitatea din China Zhejiang au dezvoltat un set de structuri noi asemănătoare celulelor biomimetice, cu capacități unice de absorbție a energiei.

Inspirate de scheletul rigid, dar flexibil, al sepiei, modelele imprimate 3D ale oamenilor de știință s-au dovedit ultra-rezistente la compresie și capabile să reziste la deformare de până la 20.000 de ori greutatea proprie. În viitor, echipa crede că designul lor ar putea fi replicat în altă parte pentru a dezvolta noi materiale ușoare rezistente la impact, cu aplicații variind de la construcții aerospațiale la blindaje.

„Cu cele mai bune performanțe, materialele celulare asemănătoare osului de sepie sunt un candidat remarcabil pentru aplicații în multe domenii, cum ar fi avioane, blindaje, vehicule ușoare și materiale de construcție”, au spus oamenii de știință în lucrarea lor. „Ele oferă un nou design biologic pentru o structură celulară eficientă din punct de vedere mecanic, dincolo de metamaterialele mecanice convenționale”.

O imagine SEM a unui os de sepie supus testării de compresie. Imagine prin jurnalul Advanced Materials.

Imprimare 3D inspirată de natură

Lumea naturală este plină de exemple de materiale precum bambusul, lemnul de balsa și anumite oase de animale, care sunt ultra-ușoare, dar au structuri celulare extrem de durabile. În ceea ce privește rigiditatea, totuși, sepia posedă un schelet poros deosebit de extraordinar, care este capabil să reziste la niveluri uriașe de presiune hidrostatică în medii de adâncime, modificându-și flotabilitatea la diferite adâncimi.

În încercarea de a identifica sursa precisă a capacităților de deformare ale sepiei, oamenii de știință au optat, prin urmare, să efectueze scanări micro-CT ale unui specimen de os de sepie. Sub compresie, echipa a descoperit că proba s-a fracturat succesiv de la un strat la altul, dar atunci când cele de sus au fost deteriorate, straturile sale inferioare au rămas intacte, într-un mecanism conceput pentru a proteja sepia de atacurile prădătorilor.

Mai important, cercetătorii au descoperit și rolul mineralului aragonit care se găsește în mod natural în mecanismul de apărare al creaturii marine, precum și structura sa generală a lamelelor în formă de S. Folosind aceste informații în experimentele ulterioare, echipa a stabilit imprimarea 3D a materialelor celulare cu o arhitectură asemănătoare osului de sepie, care a imitat cel mai bine atât forma, cât și formarea articolului autentic.

Imagini SEM și micro-CT ale aspectului scheletic al sepiei.
Imagini SEM și micro-CT ale aspectului scheletic al sepiei. Imagini prin jurnalul Advanced Materials.

Modele biomimetice rezistente la impact

Pentru a evalua mecanica osului de sepie în profunzime, oamenii de știință au imprimat 3D cinci modele biomimetice: un octet – zăbrele, spumă kelvin, structura giroidiană, sandviș kelvin și panou sandwich tip fagure. Fiecare structură a prezentat versiuni simplificate ale straturilor văzute în sepie adevărate, cu pereți interconectați care mimează elementele lor organice.

În timpul testelor timpurii, toate prototipurile polimerice s-au deformat sub compresie, dar echipa a descoperit că forma pereților specimenelor a făcut o diferență enormă în ceea ce privește rezistența acestora. De fapt, în comparație cu alte părți de formă convențională, oamenii de știință au trebuit să aplice o presiune mult mai mare asupra prototipurilor asemănătoare osului de sepie pentru a le face să se prăbușească lateral.

Pe baza acestor descoperiri inițiale, cercetătorii au formulat apoi o serie de materiale celulare, care au imitat mai bine arhitectura și comportamentele mecanice ale osului de sepie. În comparație cu spumele polimerice convenționale, prototipurile au demonstrat o absorbție de energie de 20-25 de ori mai mare și, în cele din urmă, s-au dovedit capabile să fie lovite de o întreagă mașină fără a-și pierde integritatea structurală.

La concluzia studiului, echipa a evidențiat modul în care imprimarea 3D le-a oferit libertatea de proiectare necesară pentru a debloca potențialul materialului lor biomimetic și a sugerat că, folosind ceramică sau metale în viitor, ar putea fi posibilă crearea unor structuri armate cu și mai mari. calitati de rezistenta.

„Având o greutate redusă, o rezistență ridicată și o capacitate excelentă de absorbție a energiei, acest material celular bio-inspirat poate găsi aplicații largi, cum ar fi structuri aerospațiale și dispozitive implantabile”, au concluzionat cercetătorii în lucrarea lor. „Studiul nostru evidențiază posibilitatea de proiectare și inginerie a materialelor celulare de înaltă performanță, prin imprimare 3D bio-inspirată.”

Avansuri în grilajele portante

În timp ce raportul ridicat rezistență-greutate al pieselor imprimate 3D cu zăbrele este binecunoscut în industrie, oamenii de știință continuă să găsească modalități de a genera modele noi.

La fel ca oamenii de știință din Zhejiang, cercetătorii de la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie din Taiwan au adoptat, de asemenea, o abordare de inspirație marină pentru a crea un nou material portant. Pe baza morfologiei ariciului de mare, filamentul FDM stabil mecanic al echipei nu necesită utilizarea unor structuri de susținere în timpul imprimării.

În mod similar, Phoenix Analysis & Design Technologies a primit 755.000 USD în finanțare NASA pentru a ajuta la dezvoltarea unor structuri mai puternice și mai ușoare pentru utilizare în timpul explorării spațiului. Mai exact, firma a primit grantul de cercetare pentru a crea un instrument software pentru proiectarea, testarea și imprimarea 3D a rețelelor puternice, ușoare, inspirate din bio pentru vehicule aerospațiale.

În altă parte, inginerii de la UC Berkeley au demonstrat beneficiile încorporării rețelelor de octeți de polimeri imprimate 3D în structurile de beton. Prin integrarea plasticului în materialul lor de imprimare, echipa a descoperit că ar putea reduce greutatea structurilor portante, fără a le diminua durabilitatea.

Descoperirile cercetătorilor sunt detaliate în lucrarea lor intitulată „Materiale celulare eficiente din punct de vedere mecanic inspirate de Cuttlebone” Care a fost co-autor de Anran Mao, Nifang Zhao, Yahui Liang și Hao Bai.

Pentru a fi la curent cu cele mai recente știri despre imprimarea 3D, nu uitați să vă abonați la Buletin informativ pentru industria imprimării 3D sau urmăriți-ne pe Stare de nervozitate sau dați like paginii noastre pe Facebook.

Ești în căutarea unui loc de muncă în industria producției aditive? Vizita Lucrări de imprimare 3D pentru o selecție de roluri în industrie.

Imaginea prezentată arată o sepie în habitatul său natural. Fotografie prin Francis Nie, Unsplash.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.