المواد الميتامادية المطبوعة ثلاثيًا قد تعيد تعريف سلامة السيارات

إنشاء تصاميم معدنية

Metallurgy is a technology that has been constantly evolving since the primitive metal craft of early civilization. Until recently, most metalworking was still reliant on techniques like molding (melting metal into hollow shapes) or forging (hammering the metal into shape).

ظهور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد القادرة على معالجة المواد المعدنية أضاف طريقة جديدة تمامًا لإنتاج مكونات معدنية، ونحن لا نزال في بداية استكشاف إمكاناتها.

على سبيل المثال، سبائك التيتانيوم الجديدة, الطباعة ثلاثية الأبعاد المشبعة بالهيدروجين, أو الطباعة الهندسية التي تمتص الاهتزازات.

قام باحثون في جامعة غلاسكو (المملكة المتحدة)، والجامعة التقنية لماركي (إيطاليا)، والمعهد الوطني للفيزياء النووية (إيطاليا) الآن بإنشاء نوع جديد من المواد الميتامادية الملتوية التي قد تحل محل طريقة تصنيع ممتصات الصدمات في السيارات، باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

نشروا نتائجهم في مجلة Advanced Materials¹ تحت عنوان “Adaptive Twisting Metamaterials”.

امتصاص الصدمات المدمج

عندما تم بناء السيارات لأول مرة، كانت تقريبًا لا تملك أي حماية ضد الحوادث. ثم، قدمت ممتصات الصدمات الأولية مثل صناديق الصدمات والمصدات استجابة قوة‑إزاحة واحدة لجميع سيناريوهات الحوادث التي تواجهها المركبات أثناء التصادم.

تصمم السيارات الحديثة بطريقة تجعل هيكلها، في حالة وقوع حادث، يمتص معظم الطاقة الحركية، مما يحد من كمية الطاقة التي تنتقل إلى الركاب.

“الحاجة المتزايدة للامتثال للمعايير الأمنية المتشددة والمتضاربة في كثير من الأحيان دفعت التركيز نحو تحسين الهيكل للمكونات التضحية، مما يعزز فلسفة التصميم الميكانيكي.”

بالإضافة إلى الانتشار الواسع لأحزمة الأمان، كان هذا الابتكار عاملًا رئيسيًا في خفض عدد الوفيات في حوادث السيارات خلال العقود الماضية.

المصدر: Haug Farrar

تم تحقيق ذلك في الغالب بفضل تعديل هندسة الهيكل أو دمج مواد مختلفة معًا داخل ممتصات الطاقة المثبتة لتعزيز تبديد الطاقة.

مع ذلك، يميل امتصاص الطاقة إلى أن يكون ثابتًا، بغض النظر عن السيناريو (على سبيل المثال، الاصطدام بمشاة أو جدار)، لأن استجابة القوة‑الإزاحة تظل ثابتة.

المواد الميتامادية الميكانيكية للربط بين الضغط والالتواء (CTCM)

بديل واعد للطرق الحالية لامتصاص الصدمات هو المواد الميتامادية CTCM (الضغط‑الالتواء الميكانيكي).

تم تصميمها لتحويل الضغط حول محور المادة إلى حركة التواء، بحركة تشبه البرغي، مما يمتص طاقة الصدمة.

هذا يجعل المواد الميتامادية CTCM خطوة واحدة أمام الشبكات المعدنية البسيطة، التي تُضغط فقط تحت الضغط.

تستفيد هذه المواد بالكامل من قدرة تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء أشكال وهياكل معقدة للغاية، وهو ما سيكون من المستحيل بناؤه بأي طريقة أخرى.

المصدر: Advanced Materials

تفاعلات تعتمد على القوة

كانت المواد الماصة للصدمات السابقة إما تنحني أو لا تنحني. لذا، لتتمكن من التعامل مع الصدمات الكبيرة، كان عليها غالبًا مقاومة الصدمات الأصغر.

“المواد الوقائية المستخدمة في معظم المركبات اليوم ثابتة، صُممت لسيناريوهات تأثير محددة ولا تستطيع التكيف مع الظروف المتغيرة.”Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow

بدلاً من ذلك، يمكن تعديل الأشكال المعقدة للمواد الميتامادية STCM لتلبية متطلبات محددة.
صمم الباحثون شكلًا يمكنه امتصاص كمية كبيرة من الطاقة حتى عند تأثير صغير، لكنه لا يزال يوفر حماية ضد الصدمات عالية السرعة/الطاقة لاحقًا.

بعد أول نطاق انضغاط (أي إجهاد الانهيار الأولي)، مكنت الليونة في مادة صفائح الجيرود استجابة ضغط مستقرة دون فشل كارثي.

المصدر: Advanced Materials

سيجعل ذلك المواد الميتامادية STCM متفوقة على الرغوات التقليدية الحالية أو مناطق الانضغاط، حيث ستوفر مقاومة أكثر صلابة للتصادمات الشديدة أو توسيدًا أكثر نعومة للتأثيرات الخفيفة.

المصدر: Advanced Materials

إنشاء ممتصات صدمات جديدة

تم تحقيق هذه النتيجة بإنشاء شكل معقد ومسامية عالية يُعرف باسم شبكة الجيرود. ثم قارنوا الأجزاء الفعلية المنتجة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تم تحليلها بمسح مقطعي، بالنموذج الحاسوبي CAD.

المصدر: Advanced Materials