Espuma do Mar Profundo Inspira Estrutura de Treliça Super-Forte para Engenharia

Uma equipe de engenheiros do Centro de Estruturas e Materiais Inovadores da RMIT utilizou a biomimética para desenvolver uma estrutura de treliça super-forte que fornece um desempenho aprimorado em comparação com as opções tradicionais baseadas em favos de mel.

Inspirada na espuma do mar profundo, a cesta de flores de Vênus, o design aproveita milhões de anos de evolução para otimizar a auxeticidade, a rigidez e a absorção de energia. Aqui está como essa estrutura de treliça ultra-forte pode ser a chave para desbloquear edifícios de próxima geração, procedimentos médicos e muito mais.

Entendendo Materiais Auxéticos

Para entender a importância desse desenvolvimento, é vital entender o papel crucial que os materiais auxéticos desempenham em aplicações naturais e artificiais. Esses materiais diferem dos itens tradicionais que são esmagados quando comprimidos ou alongados quando esticados.

Em vez disso, os materiais auxéticos exibem contração lateral sob compressão. Essa característica os torna ideais para uso em aplicações onde há necessidade de absorver e distribuir energia de impacto de forma eficaz. Notavelmente, existem versões naturais de materiais auxéticos, como tendões musculares, e exemplos artificiais, como stents cardíacos que devem se adaptar às demandas de pressão vascular.

A Evolução de Projetos Auxéticos

Ao longo dos anos, houve muita pesquisa e desenvolvimento para criar os materiais auxéticos mais eficazes. Alguns projetos atuais incluem estruturas quiral, favos de mel em estrela, estruturas de corpo rígido rotativo, auxéticos de multi-materiais e favos de mel reentrantes. Dentre essas opções, os favos de mel hexagonais reentrantes são os mais proeminentes.

O Favos de Mel Hexagonal Reentrante: Uma Abordagem Tradicional

O design do favo de mel hexagonal reentrante foi bioinspirado nos favos de mel encontrados em colmeias. Foi desenvolvido em 1982 e apresenta nervuras diagonais que se movem para dentro sob compressão, rigidificando o design.

Desde então, o design foi aprimorado com a adição de outras nervuras para melhorar o desempenho. No entanto, ainda existem muitas desvantagens na estrutura em favo de mel em termos de flexibilidade, custos de produção e desempenho geral.

Avançando Estruturas de Treliça: O Estudo BLS

Reconhecendo as limitações nesse campo emergente, uma equipe de pesquisadores da RMIT University desenvolveu um design auxético proprietário que pode superar seus antecessores em todos os aspectos. O relatório “Comportamento Auxético e Características de Absorção de Energia de uma Estrutura de Treliça Inspirada em Espuma do Mar Profundo“¹ publicado em Composite Structures destaca como o novo design foi inspirado na estrutura esquelética de uma espuma do mar profundo e é capaz de superar os favos de mel hexagonais reentrantes por 13 vezes.

A Cesta de Flores de Vênus: O Projeto da Natureza

A espuma do mar profundo Euplectella Aspergillum, coletivamente chamada de cesta de flores de Vênus, tem uma das estruturas esqueléticas mais duráveis e únicas na natureza. A espuma apresenta uma estrutura esquelética em forma de grade composta por elementos vitrosos chamados espículas que criam uma grade quadrada.

Fonte – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

A grade é reforçada por barras de treliça dupla que dão à estrutura uma aparência de tabuleiro de xadrez com quadrados alternados preenchidos. Essas células abertas e fechadas fornecem ao animal propriedades mecânicas únicas, incluindo rigidez inigualável e absorção de energia de alto desempenho.

Construindo um Modelo 3D da Estrutura de Treliça Bioinspirada

Os engenheiros construíram um modelo 3D para demonstrar suas descobertas e testar suas teorias. Sua estrutura de treliça cúbica centrada em 3D foi impressa em poliuretano termoplástico. Ela incluía nove células quadradas dispostas em uma grade 3 × 3. Notavelmente, a equipe observou que, sozinha, cada treliça demonstrou comportamento de deformação. No entanto, quando combinadas, o material exibiu ações auxéticas.

Simulações Computacionais: Aprimorando o Design BLS

A próxima etapa foi utilizar os dados dos testes para criar simulações computacionais. Essa manobra permite que os engenheiros aprimorem sua taxa de teste e experimentem formas e designs mais exóticos em mais testes. Eles utilizaram simulações para avaliar a influência de variações geométricas.

Os dados de cada material, incluindo seu comportamento auxético, rigidez e capacidades de absorção de energia, foram documentados. Além disso, a equipe revisou o impacto de parâmetros estruturais, como o arranjo e a espessura das barras não diagonais e das barras duplas diagonais. A equipe, então, ajustou finamente o espaçamento entre as barras duplas diagonais e o espaçamento para alcançar o desempenho ótimo.

Testando o BLS: Verificação Experimental

Os pesquisadores testaram seu novo design de treliça de várias maneiras. Especificamente, um teste universal Shimadzu AGS-50kNXD foi utilizado para realizar testes de compressão uniaxial quase-estáticos nos modelos 3D impressos BLS-0 e CAS. Os engenheiros documentaram sistematicamente todos os aspectos centrais do material, incluindo comportamento auxético, rigidez e propriedades de absorção de energia.

Resultados de Teste Impressionantes

Os testes produziram alguns resultados impressionantes. De acordo com os engenheiros, o BLS superou as opções reentrantes hexagonais em todos os aspectos. Em termos de compressão, ele superou o design original por 13%. Além disso, absorveu 10% mais energia em uma faixa de deformação 60% maior.

O BLS mostrou quase o dobro da rigidez dos designs tradicionais de tubos. Além disso, foi 3 vezes mais forte e mostrou 4 vezes mais robustez quando comparado a seus antecessores de favo de mel reentrante. Esse desempenho mecânico aprimorado vem de um design mais leve que utiliza muito menos material do que as alternativas.

Principais Benefícios da Estrutura de Treliça Bioinspirada

Existem muitos benefícios que tornam a descoberta do BLS digna de nota. Por um lado, fornece aos engenheiros um novo nível de resistência à compressão e rigidez que permite a criação de itens mais duráveis. Desde casas até carros, esse design mais leve pode aprimorar a robustez de muitos itens comuns que você usa diariamente, bem como alguns dos projetos mais altamente engenhados de hoje.

O Papel da Impressão 3D na Fabricação do BLS

Outro grande benefício desse design é que ele pode ser impresso em 3D. Essa abordagem permite que os engenheiros personalizem o layout para atender a quase qualquer requisito de aplicação. Além disso, fornece uma oportunidade de experimentar com outros materiais de forma controlada e fácil de integrar, impulsionando mais inovação.

Aplicações Reais Potenciais do BLS

Esse material bioinspirado pode levar ao desenvolvimento de estruturas mais fortes e resilientes em setores como aeroespacial, automotivo e engenharia civil. Todos esses setores estão em constante busca por materiais que sejam mais leves, fáceis de trabalhar e exibam mais força e rigidez.

Agora, essa equipe de pesquisadores inovadores busca inspirar uma nova classe de materiais auxéticos, oferecendo propriedades mecânicas superiores, como absorção de energia e rigidez estrutural aprimoradas.

Aplicações de Engenharia: O Que Vem a Seguir?

Muitos analistas preveem que aplicações podem surgir dentro dos próximos 5 a 10 anos, dependendo de mais pesquisa e desenvolvimento. Aqui estão apenas algumas das aplicações potenciais dessa tecnologia.

Construção

De acordo com os engenheiros, o setor de construção será seu foco principal. Materiais de construção são caros, com preços aumentando fortemente nos últimos anos. Esse desenvolvimento pode revolucionar esse setor de várias maneiras.

Por um lado, permitiria que os construtores criassem estruturas mais fortes que utilizam menos material. Pense nessa treliça substituindo a estrutura de aço em sua casa ou as vigas em um prédio. O layout de tabuleiro de xadrez aberto e fechado e o material oferecem comportamento auxético sob compressão a partir de uma estrutura leve.

Além disso, arquitetos e engenheiros poderiam criar edifícios que pudessem ser mais resilientes. Imagine um arranha-céu que foi projetado para reduzir vibrações durante um terremoto ou rigidificar de uma maneira particular quando o vento o empurra. Dessa forma, o BLS pode aprimorar as capacidades de engenharia estrutural em todo o mercado.

Equipamento de Proteção

Outra área de interesse para o BLS é a indústria de equipamento de proteção. Esse material tornará o equipamento de proteção pessoal mais leve e resiliente. A estrutura de treliça garantirá que o equipamento leve possa suportar as condições e impactos mais duros, abrindo a porta para um novo nível de segurança em muitos dos esportes mais perigosos de hoje.

Militar

Existem várias aplicações militares para esse material. Imagine coletes à prova de balas de próxima geração, leves e super finos. Engenheiros poderiam criar itens como pontes temporárias mais facilmente, melhorando tanto a montagem quanto o transporte. Além disso, poderia desempenhar um papel na criação de veículos e equipamentos de próxima geração que exigem rigidez aprimorada, mas devem atender a restrições de peso rigorosas.

Pense em drones que podem voar mais longe e suportar mais danos, ou capacetes que podem suportar impactosetos de calibres altos sem se despedaçar. Tudo isso e mais é possível utilizando a tecnologia BLS.

Aplicações Médicas

O campo médico pode usar essa tecnologia para melhorar vários procedimentos diferentes. Por exemplo, implantes projetados para manter as artérias abertas precisam ser capazes de se adaptar a pressões extremas e durar sem degradação por anos. O novo design de treliça fornece mais durabilidade e rigidez quando necessário, impedindo que as artérias se fechem e salvando vidas.

Automotivo

Existem muitas maneiras pelas quais essa tecnologia pode tornar seu próximo veículo mais seguro e eficiente. Por um lado, o design de tubo atualizado pode substituir a estrutura de aço atualmente em uso por muitos fabricantes. Esse novo design reduziria os custos de fabricação e melhoraria a força e a durabilidade.

Além disso, essa tecnologia pode ser usada para tornar sua viagem muito mais suave. Visualize choques e outras estruturas de amortecimento de vibração criadas com esses materiais. Esses designs poderiam fornecer mais conforto sem adicionar ao peso geral do seu próximo veículo elétrico.

Pesquisadores da Estrutura de Treliça Bioinspirada (BLS)

O Centro de Estruturas e Materiais Inovadores da RMIT liderou o estudo, que incluiu Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie e Ngoc San Ha como pesquisadores. Agora, essa equipe planeja mergulhar no uso de outros materiais, como aço, para testar sua criação.

A equipe também expressou interesse em utilizar uma combinação de materiais com base em suas propriedades únicas para tentar melhorar o desempenho ainda mais. Esses experimentos incluirão fazer as vigas e os quadrados de materiais variados que podem interagir.

Investindo no Setor de Ciência de Materiais

O setor de ciência de materiais tem vários fabricantes líderes que continuam a impulsionar a tecnologia a novas alturas. Esse desenvolvimento mais recente demonstra o ritmo com que a inovação ocorre no mercado. Aqui está uma empresa inovadora que está bem posicionada para integrar qualquer avanço na ciência de materiais para melhorar seus retornos e linha de produtos.

Hexcel Corporation

A Hexcel Corporation (HXL ) entrou em serviço em 1948 e é baseada em Connecticut. Essa fabricante dos EUA se especializa em materiais de design de favo de mel. Desde sua criação, a Hexcel teve grande sucesso.

Interessantemente, um dos primeiros contratos governamentais importantes da empresa foi desenvolver materiais de favo de mel de nova geração para uso em domos de radar em aeronaves militares na Segunda Guerra Mundial. Após o fim da guerra, a empresa adquiriu a California Reinforced Plastics e a Ciba Composites.

Em 1995, adquiriu a Divisão de Produtos Compostos da Hercules. Hoje, é reconhecida como uma líder inovadora no campo de materiais compostos avançados para aplicações aeroespaciais e industriais. A empresa famosamente ajudou a projetar e fabricar a cápsula de reentrada Apollo 11 em 1968.

A Hexcel detém várias patentes sobre sua pesquisa e continua a investir fundos no desenvolvimento de materiais de próxima geração que aprimorem a integridade estrutural, reduzam o peso e ofereçam opções de fabricação mais fáceis.

Atualmente, a Hexcel tem 5894 funcionários e listou $1,90B em receita em 2024. Seu estoque é considerado uma compra forte por muitos analistas, pois a empresa continua a garantir contratos governamentais e apoio para tecnologias de próxima geração. Esses fatores, combinados com a história e a posição da empresa, tornam a HXL uma adição inteligente a qualquer carteira.

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O Futuro das Estruturas de Treliça Bioinspiradas

Quando você examina o benefício que as estruturas de treliça bioinspiradas trazem ao mercado, é fácil ver que elas um dia desempenharão um papel vital em tornar eletrônicos mais leves, equipamentos de proteção mais seguros e seu futuro veículo mais robusto.

Além disso, avanços na impressão 3D tornarão ainda mais fácil para os engenheiros modelar e criar estruturas e materiais auxéticos de ultra-desempenho. Por agora, essa equipe merece crédito por lançar luz sobre como os materiais auxéticos funcionam e como a evolução ajudou a melhorar seu design.

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Estudos Referenciados:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Comportamento Auxético e Características de Absorção de Energia de uma Estrutura de Treliça. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}