Diepzeespons Inspireert Supersterke Roosterstructuur voor Ingenieurs

Een team van ingenieurs van het Centre for Innovative Structures and Materials van RMIT heeft biomimicry gebruikt om een supersterke roosterstructuur te ontwikkelen die een verbeterde prestatie biedt in vergelijking met traditionele honingraatgebaseerde opties.

Geïnspireerd door de diepzeespons, Venus’ bloemenmand, maakt het ontwerp gebruik van miljoenen jaren evolutie om auxeticiteit, stijfheid en energieverbruik te optimaliseren. Hieronder volgt hoe deze ultra-sterke roosterstructuur de sleutel kan zijn tot het ontgrendelen van gebouwen van de volgende generatie, medische procedures en veel meer.

Auxetische Materialen Begrijpen

Om de belangrijkheid van deze ontwikkeling te begrijpen, is het essentieel om de cruciale rol te begrijpen die auxetische materialen spelen in zowel natuurlijke als gemaakte toepassingen. Deze materialen verschillen van uw traditionele artikelen die worden samengeperst wanneer ze worden samengeperst of verlengd wanneer ze worden uitgerekt.

In plaats daarvan vertonen auxetische materialen laterale contractie onder compressie. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor gebruik in toepassingen waarbij er een behoefte is om impactenergie effectief te absorberen en te verdelen. Opvallend zijn er natuurlijke versies van auxetische materialen, zoals uw spieren en pezen, en gemaakte voorbeelden, zoals hartstenten die moeten worden aangepast aan vaatdrukvereisten.

De Evolutie van Auxetische Ontwerpen

In de loop der jaren is er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan om de meest effectieve auxetische materialen te ontwikkelen. Enkele huidige ontwerpen omvatten chirale structuren, ster-vormige honingraten, roterende starre lichaamsstructuren, multi-materiaal auxetics en re-entrant honingraten. Van deze opties zijn re-entrant hexagonale honingraten het meest prominent.

De Re-Entrant Hexagonale Honingraat: Een Traditionele Benadering

Het re-entrant hexagonale honingraatontwerp was bio-geïnspireerd door de honingraten die in bijenkorven worden aangetroffen. Het werd ontwikkeld in 1982 en heeft diagonale ribben die naar binnen verschuiven onder compressie, waardoor het ontwerp wordt versterkt.

Sindsdien is het ontwerp verbeterd met extra steunen toegevoegd om de prestaties te verbeteren. Er zijn echter nog veel nadelen aan het honingraatlay-out in termen van flexibiliteit, productiekosten en algehele prestaties.

Het Verbeteren van Roosterstructuren: De BLS-Studie

Het erkennen van de beperkingen in dit opkomende veld, ontwikkelde een team van onderzoekers aan RMIT University een propriëtaire auxetisch ontwerp dat zijn voorgangers overal kan overtreffen. Het rapport “Auxetisch gedrag en energieverbruikskenmerken van een roosterstructuur geïnspireerd door diepzeespons“¹ gepubliceerd in Composite Structures benadrukt hoe het nieuwe ontwerp werd geïnspireerd door de skeletstructuur van een diepzeespons en in staat is om re-entrant hexagonale honingraten met 13x te overtreffen.

Venus’ Bloemenmand: Nature’s Blauwdruk

De diepzeespons Euplectella Aspergillum, collectief genoemd Venus’ bloemenmand, heeft een van de meest duurzame en unieke skeletstructuren in de natuur. De spons heeft een grid-achtige skeletstructuur samengesteld uit glasachtige elementen genaamd spicules die een vierkant grid creëren.

Source – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

Het grid wordt versterkt door dubbele-lattice-steunen die de structuur een schaakbord-uitzicht geven met afwisselende vierkanten die zijn ingevuld. Deze open en gesloten cellen geven het dier unieke mechanische eigenschappen, waaronder ongeëvenaarde stijfheid en hoge energieverbruik.

Het Construeren van een 3D-Model van de Bio-Geïnspireerde Roosterstructuur

De ingenieurs construeerden een 3D-model om hun ontdekkingen te demonstreren en hun theorieën te testen. Hun 3D body-centered cubic lattice structuur werd afgedrukt van thermoplastisch polyurethaan. Het bevatte negen vierkante cellen gerangschikt in een 3 × 3 grid. De ingenieurs noteerden dat alleen elk rooster deformatiegedrag vertoonde. Echter, toen ze werden gecombineerd, vertoonde het materiaal auxetische acties.

Computersimulaties: Het Verfijnen van het BLS-Ontwerp

De volgende stap was om de gegevens van de tests te gebruiken om computersimulaties te creëren. Deze manoeuvre stelt ingenieurs in staat om hun testfrequentie te verbeteren en meer exotische vormen en ontwerpen over meer tests te proberen. Ze gebruikten simulaties om de invloed van geometrische variaties te evalueren.

De gegevens van elk materiaal, inclusief zijn auxetisch gedrag, stijfheid en energieverbruikscapaciteiten, werden gedocumenteerd. Bovendien beoordeelden de ingenieurs de invloed van structurele parameters zoals de rangschikking en dikte van de niet-diagonale en dubbele-diagonale bars. De ingenieurs fine-tuned vervolgens de afstand tussen de dubbele diagonale bars en de afstand om optimale prestaties te bereiken.

Het Testen van de BLS: Experimentele Verificatie

De onderzoekers testten hun nieuwe roosterontwerp op verschillende manieren. Specifiek werd een Shimadzu AGS-50kNXD universele tester gebruikt om quasi-statische uniaxiale compressietests uit te voeren op de 33D-geprinte BLS-0 en CAS-eenheden. De ingenieurs documenteerden systematisch alle kernaspecten van het materiaal, inclusief auxetisch gedrag, stijfheid en energieverbruikseigenschappen.

Indrukwekkende Testresultaten

De tests produceerden enkele indrukwekkende resultaten. Volgens de ingenieurs overtrof de BLS de re-entrant hexagonale opties overal. In termen van compressie overtrof het de oorspronkelijke ontwerp met 13%. Bovendien absorbeerde het 10% meer energie over een 60% grotere rekgebied.

De BLS toonde bijna dubbele stijfheid van traditionele buisontwerpen. Ook was het 3x sterker en toonde het 4x meer robuustheid in vergelijking met zijn re-entrant honingraatvoorgangers. Deze verbeterde mechanische prestaties komen van een lichter ontwerp dat veel minder materiaal gebruikt dan alternatieven.

Sleutelvoordelen van de Bio-Geïnspireerde Roosterstructuur

Er zijn veel voordelen die de BLS-ontdekking waard maken om te worden opgemerkt. Ten eerste biedt het ingenieurs een nieuw niveau van compressiestijfheid en stijfheid dat de creatie van meer duurzame artikelen mogelijk maakt. Van huizen tot auto’s kan dit lichtere ontwerp de robuustheid van veel gebruikelijke artikelen die u dagelijks gebruikt, evenals enkele van de meest geavanceerde projecten van vandaag, verbeteren.

De Rol van 3D-Printen in BLS-Productie

Een ander groot voordeel van dit ontwerp is dat het 3D-geprint kan worden. Deze benadering stelt ingenieurs in staat om de lay-out aan te passen aan bijna elke toepassingsvereiste. Bovendien biedt het een kans om te experimenteren met andere materialen op een gecontroleerde en gemakkelijk te integreren manier, waardoor meer innovatie ontstaat.

Potentiële Reële Wereldtoepassingen van BLS

Dit bio-geïnspireerde materiaal kan leiden tot de ontwikkeling van sterkere, meer veerkrachtige structuren in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, automotive en civiele techniek. Al deze sectoren zijn constant op zoek naar materialen die lichter, gemakkelijker te werken en meer stijfheid en sterkte vertonen.

Nu zoekt dit team van innovatieve onderzoekers naar een nieuwe klasse van auxetische materialen met superieure mechanische eigenschappen, zoals verbeterde energieverbruik en structurele stijfheid.

IngenieursToepassingen: Wat Komt Er Hierna?

Veel analisten voorspellen dat toepassingen kunnen ontstaan binnen de komende 5 tot 10 jaar, afhankelijk van verdere onderzoek en ontwikkeling. Hier zijn slechts enkele van de potentiële toepassingen van deze technologie.

Bouw

Volgens ingenieurs zal de bouwsector hun belangrijkste focus zijn. Bouw- en constructiematerialen zijn duur met prijzen die scherp zijn gestegen in de afgelopen jaren. Deze ontwikkeling kan deze sector op verschillende manieren revolutioneren.

Ten eerste zou het bouwers in staat stellen om sterkere structuren te creëren die minder materiaal gebruiken. Denk aan dit rooster dat de stalen framing in uw huis of de balken in een gebouw vervangt. De open en gesloten schaakbordlay-out en het materiaal bieden auxetisch gedrag onder compressie van een lichtgewicht structuur.

Bovendien kunnen architecten en ingenieurs gebouwen creëren die meer veerkrachtig kunnen zijn. Stel u een wolkenkrabber voor die is ontworpen om vibraties te verminderen tijdens een aardbeving of om te verstijven op een bepaalde manier wanneer de wind ertegen duwt. Op deze manier kan BLS de structurele ingenieurscapaciteiten over de markt verbeteren.

Beschermingsuitrusting

Een ander gebied van interesse voor BLS is de industrie van beschermingsuitrusting. Dit materiaal zal zelfdragende beschermingsuitrusting lichter en meer veerkrachtig maken. Het roosterontwerp zal ervoor zorgen dat de lichtgewicht uitrusting onder de meest extreme omstandigheden en impacten kan worden gehandhaafd, waardoor een nieuw niveau van veiligheid in veel van de gevaarlijkste sporten van vandaag mogelijk wordt.

Militair

Er zijn verschillende militaire toepassingen voor dit materiaal. Stel u voor dat de volgende generatie lichtgewicht en superdunne kogelvrije vesten wordt gemaakt. Ingenieurs kunnen items zoals tijdelijke bruggen gemakkelijker creëren, waardoor zowel de assemblage als het transport worden verbeterd. Bovendien kan het een rol spelen bij de creatie van volgende generatie voertuigen en andere uitrusting die verbeterde stijfheid vereisen, maar moeten voldoen aan strikte gewichtsbeperkingen.

Denk aan drones die verder kunnen vliegen en meer schade kunnen weerstaan, of helmen dieecte treffers van hoge kalibers kunnen weerstaan zonder te breken. Alles hiervan en meer is mogelijk door het gebruik van BLS-technologie.

Medische Toepassingen

De medische sector kan deze technologie gebruiken om verschillende procedures te verbeteren. Bijvoorbeeld, implantaten die zijn ontworpen om arteriën open te houden, moeten in staat zijn om onder extreme druk te worden aangepast en jarenlang zonder te degraderen. Het nieuwe roosterontwerp biedt meer duurzaamheid en stijfheid wanneer nodig, waardoor arteriën niet worden gesloten en levens worden gered.

Automotive

Er zijn veel verschillende manieren waarop deze technologie uw volgende voertuig veiliger en efficiënter kan maken. Ten eerste kan het bijgewerkte buisontwerp het stalen frame vervangen dat momenteel door veel fabrikanten wordt gebruikt. Dit nieuwe ontwerp zou de productiekosten verlagen en de sterkte en duurzaamheid verbeteren.

Bovendien kan deze technologie worden gebruikt om uw rit veel soepeler te maken. Visualiseer schokdempers en andere trillingsdempende structuren die zijn gemaakt met deze materialen. Deze ontwerpen kunnen meer comfort bieden zonder de algehele gewicht van uw volgende EV te verhogen.

Bio-Geïnspireerde Roosterstructuur (BLS) Onderzoekers

RMIT’s Centre for Innovative Structures and Materials leidde de studie, die Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie en Ngoc San Ha als onderzoekers omvatte. Nu wil dit team onderzoeken hoe andere materialen, zoals staal, kunnen worden gebruikt om hun creatie te testen.

Het team heeft ook interesse getoond in het gebruik van een combinatie van materialen op basis van hun unieke eigenschappen om de prestaties verder te verbeteren. Deze experimenten zullen het maken van de balken en vierkanten van verschillende materialen omvatten die kunnen interacteren.

Investeren in de Materiaalwetenschapsector

De materiaalwetenschapsector heeft verschillende toonaangevende fabrikanten die de technologie naar nieuwe hoogtes blijven duwen. Deze laatste ontwikkeling toont de snelheid aan waarmee innovatie op de markt plaatsvindt. Hier is een innovatief bedrijf dat goed is gepositioneerd om doorbraken in materiaalwetenschap te integreren om zijn rendementen en productlijn te verbeteren.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) is opgericht in 1948 en is gevestigd in Connecticut. Deze Amerikaanse fabrikant is gespecialiseerd in honingraat-ontworpen materialen. Sinds zijn oprichting heeft Hexcel veel succes behaald.

Interessant is dat een van de eerste grote overheidscontracten van het bedrijf was om nieuwe honingraatmaterialen te ontwikkelen voor gebruik in radarkoepels op militaire vliegtuigen voor de Tweede Wereldoorlog. Na het einde van de oorlog verwierf het bedrijf California Reinforced Plastics en Ciba Composites.

In 1995 verwierf het de Hercules Composites Products Division. Vandaag de dag wordt het erkend als een toonaangevend innovator in het veld van geavanceerde composietmaterialen voor de lucht- en ruimtevaart- en industriële toepassingen. Het bedrijf heeft beroemde ontwerpen en fabricage van de Apollo 11-re-entry-craft in 1968.

Hexcel heeft verschillende octrooien op zijn onderzoek en blijft fondsen investeren in de ontwikkeling van next-generation materialen die structurele integriteit verbeteren, gewicht verminderen en gemakkelijker productieopties bieden.

Momenteel heeft Hexcel 5894 werknemers en heeft het een omzet van $1,90 miljard in 2024. De aandelen van het bedrijf worden door de meeste analisten beschouwd als een sterk “Koop” omdat het bedrijf blijft innoveren en overheidsondersteuning voor next-generation technologieën ontvangt. Deze factoren, gecombineerd met de geschiedenis en positie van het bedrijf, maken HXL een slimme toevoeging aan elk portfolio.

Laatste Nieuws over Hexcel Corp.

De Toekomst van Bio-Geïnspireerde Roosterstructuren

Wanneer u de voordelen bekijkt die bio-geïnspireerde roosterstructuren naar de markt brengen, is het gemakkelijk om te zien dat ze op een dag een vitale rol zullen spelen bij het maken van elektronica lichter, beschermingsuitrusting veiliger en uw toekomstige voertuig meer veerkrachtig.

Bovendien zullen vooruitgangen in 3D-printen het nog gemakkelijker maken voor ingenieurs om ultra-prestatie-auxetische structuren en materialen te modelleren en te creëren. Voor nu verdienen dit team krediet voor het laten zien van hoe auxetische materialen werken en hoe evolutie heeft geholpen om hun ontwerp te verbeteren.

Leer over andere doorbraken in materiaalwetenschap nu.

Studies Verwezen:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Auxetisch gedrag en energieverbruikskenmerken van een roosterstructuur. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}