3D-geprinte balken 10.000 keer sterker dan staal

Ultralight licht en op schaal (Courtesy: Yong Mao, D Rayneau-Kirkhope et al.)

Een team onderzoekers uit Europa heeft aangetoond dat de dichtheid van grote constructies drastisch kan worden verminderd indien zij ontworpen zijn volgens een fractal patroon. De onderzoekers hebben een manier uitgewerkt om de optimale “hiërarchische structuur” uit een bepaald materiaal te berekenen zodat deze een gegeven belasting kan weerstaan​​. Zij beweren dat het gebruik van dergelijke technieken kunnen helpen bij het ​​bouwen van zeer efficiënte dragende constructies die kunnen worden gebruikt in zonne-zeilen, kranen of andere lichtgewicht-maar-sterke constructies.

Een fractal is een vorm gemaakt door het herhalen van een wiskundige formule. De structuur is op verschillende lengteschalen gelijk. Fractale patronen zijn in diverse maten terug te vinden in de natuur – alles uit een varenblad dat lijkt op de gehele plant, tot wolken, sneeuwvlokken, bloedvaten en bloemkool toont een fractale patroon. Een specifiek voorbeeld waarop dit onderzoek is geïnspireerd is het trabeculair bot – het “sponsachtige” bot dat wordt gevonden in de buurt van gewrichten in het menselijk lichaam. Dit bot heeft een sponsachtig netwerk van vezels die een pseudo-fractal patroon hebben, waarbij het patroon zelf-gelijkende is over enkele schalen. Dit maakt het bot niet alleen sterk en licht, maar geeft het ook de nodige sterkte en stijfheid.

Bouwen en herhalen

Een hiërarchisch patroon – waar dezelfde basisstructuur herhaaldelijk wordt gebruikt op verschillende lengteschalen – wordt in de architectuur al gebruikt om grootschalige constructies uit op te bouwen. De Eiffeltoren of grote hijskranen zijn goede voorbeelden van dergelijke constructies. Toch worden fractal patronen in de architectuur eerder ad hoc dan structureel toegepast, aldus de onderzoekers. Nu hebben Yong Mao van de Universiteit van Nottingham (UK) en zijn collega’s een theoretisch kader ontwikkeld voor het bouwen van constructies waarbij de de optimale hiërarchische volgorde van de constructie afhankelijk is van een gegeven weerstand die weerstaan dient te worden. Gebruik makend van dit model maakten de onderzoekers z’n structuur – een eenvoudig frame – uit een polymeer hars, volgens een “rapid prototyping techniek” – hetgeen een vooruitstrevende vorm van 3D-printen is.

Voor het eerste element in hun structuur, bouwden Mao en zijn collega’s een gewone holle balk, die zij het “generatie-0”-element noemen. Verschillende waarden van de dikte en straal van de balk worden overwogen, zodat de sterkste bundel kan worden gebouwd, met de minste hoeveelheid materiaal. De robuustheid van deze bundel wordt dan getest door een belasting langs zijn lengte en zijn as, om te zien of het aan één van beide mislukt. “We doen dit om de faalwijzen op elk lokaal niveau te analyseren, zodat de structuur niet onnodig sterk is op elk niveau… we optimaliseren voor de eigenschappen die nodig zijn”, zegt Mao. Hij legt dit verder uit aan de hand van een tafel van 50 kg. Als deze zou balanceren op holle stalen poten dan zou deze ongeveer 10 keer lichter zijn dan een met massief stalen poten, maar wel net zo robuust zijn.

Generatie verandering

Generatie-1 (links) en generatie-2 (rechts) holle buis hiërarchische structuren. (Courtesy: D Rayneau-Kirkhope et al. / Phys Rev Lett)

De volgende stap, of “generatie-1” structuur is een soortgelijk straal op een grotere lengteschaal. Het bestaat uit de afzonderlijke productie-0 balken in een driehoekig raamwerk (zie figuur links). De generatie-2 structuur wordt dan vervangen door elke staaf in de productie-1 structuur met een volledige versie van zichzelf, allen gemonteerd in een grotere driehoekige frame. Dit kan voor nog een niveau worden herhaald – een generatie-3 element – en uit berekeningen blijkt dat hoe meer hiërarchische niveaus worden gebruikt, hoe minder materiaal nodig is om een bepaalde belasting te ondersteunen.

Sterke structuren

Het team ontwierp een aantal verschillende structuren. Zo vonden ze bijvoorbeeld dat een kraangiek gemaakt van generatie-1-structuren 100 keer lichter zou zijn dan als die van massief staal zou zijn gemaakt. Een andere, meer fantasievolle toepassing van deze techniek zou zijn om er de giek van een zonne-zeil mee te bouwen. Dit zijn grote constructies in de ruimte die in de toekomst zonnestraling kunnen oogsten. Het theoretisch ontwerp voor dergelijke zeilen bevat gieken van bijna 100 meter lang, maar hoeven enkel sterk genoeg te zijn om de druk van zonnestraling te weerstaan​​. In dit geval zou een stalen generatie-3 structuur 10.000 keer lichter zijn dan een massieve staaf.

3D-printen

Een nadeel van dit soort fabricage is dat imperfecties ernstige problemen kunnen veroorzaken. “Zelfs een krasje op lokale schaal kan grote impact hebben, omdat er geen extra materiaal gebruikt is dat de extra stress kan wegnemen. En wellicht is dat ook de reden waarom dit soort fabricage tot op heden nog niet structureel in de praktijk wordt toegepast,” verklaart Mao, die zegt dat het team ook bezig is te bestuderen hoe er voor dergelijke fouten beter gezorgd kan worden. Desondanks is hij ervan overtuigd dat de commerciële technieken in het komende jaar zullen verbeteren, zoals de beschikbaarheid van de benodigde precisie-instrumenten. Moa denkt ook dat de commerciële opkomst van 3D-printen ten gunste komt van de fabricage van deze structuren. “We kunnen onze ontwerpen uploaden en anderen kunnen deze downloaden en de structuren thuis printen”, zegt hij.

“In theorie heeft een fractal betrekking tot een oneindig aantal generaties… maar dat gezegd, dezelfde soort complexiteit kan in de toekomst worden bereikt door assembleren van meer en meer generaties,” zegt Mario Castro van de Comillas Pontifical University in Spanje, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Het zou zeer interessant zijn geweest als ze een manier hadden gevonden om deze meerschalige structuren samen te laten stellen door zelforganisatie, zoals dat gebeurt in de natuur, maar ik vind het werk uit dit onderzoek ook erg interessant.”

Artikel vrij vertaald uit Physics World door demetaal.nl. Onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters.

Redactie | 03-12-12 | 06:52 | Link




Plaats een reactie