Конструкция из строительных блоков на основе углеродного волокна в 10 раз прочнее, чем структуры такой же плотности. А благодаря тому, что структура сделана из почти идентичных кусочков, сломанные части могут быть легко извлечены и заменены новыми, как докладывают ее разработчики в издании Science от 16 августа. Новый дизайн однажды поможет формировать легкие, устойчивые и легко ремонтируемые остовы для самолетов, велосипедов и даже зданий.
«Это поразительно», говорит ученый-материаловед Райнер Аделунг из университета Киеля в Германии. «Когда вы прочтете эту статью, вы можете подумать о том, почему никто не сделал этого раньше. Эта идея проста, но имеет весьма большие перспективы».
На протяжении многих лет, дорогие велосипеды и автомобили использовали склеенные вместе углеродно-волоконные материалы, которые называют композитными, чтобы убрать вес из основы. В настоящее время производители начинают делать огромные части самолетов из единых сборок легких материалов. Меньшее количество частей означает меньшее количество соединений, что приводит к увеличению веса и сложности обслуживания.
Потому производители хотят сделать еще большие по размеру части самолетов. В 2008 году производитель Spirit AeroSystems, который делает запчасти к Boeing и Airbus, обратились к инженеру Кеннету Чеунгу из MIT и его руководителю лаборатории, Нилу Гершенфельду с идеей – А что если они могут отпечатать на 3D-принтере целый самолет как единую запчасть?
Чеунг и Гершенфельд засомневались. Хотя единый кусок композитного материала имеет меньше соединений, его трудно будет ремонтировать, говорит Чеунг. Когда композиты ломаются, они ломаются серьезно. Удар, настолько сильный, что может сломать композитную деталь в одном месте, будет иметь эффект домино. Энергия удара проникает сквозь всю деталь, отдаваясь во многих местах.
Потому Чеунг и Гершенфельд пришли к одной идее собирать самолет из миллионов идентичных частей, вместо того, чтобы делать одно гигантскую.
Чеунг поиграл с несколькими дизайнами, вырезая детали из картона и фанеры, прежде, чем пришел к одному повторяющемуся юниту: плоскому «Х» из углеродного волокна, с дыркой в центре и крючком на конце каждого плеча. В длину деталь имеет 3 см., по словам Чеунга, однако он может быть изменен до любого размера. «Вы можете воспринимать его как огромный конструктор Lego», говорит он.
Чеунг соединил детали воедино для сборки кубических решеток повторяющихся треугольных пирамид и затем ломал структуры для измерения их силы и стойкости. По словам Чеунга 12 сантиметровый куб весом с яйцо может выдерживать 400 килограммовое усилие перед разрушением. А учитывая весьма малый вес материалов, решетка «удивительно прочна» по словам Чеунга.
Геометрия кубической решетки – это ключевая часть ее устойчивости и силы. «Если вы строите несколько треугольных пирамид из зубочисток и мармеладок, то можете даже положить на них книгу», говорит Чеунг.
Когда композитные структуры Чеунга и Гершенфельда достигают точки разлома, отдельные части в решетке ломаются, ограничивая поломку отдельными точками. Это полезное свойство позволит изготовителям использовать этот дизайн для достижения контроля разрушений. «Вы можете заменять отдельные части, зная, что структура полностью стабильна, даже во время работы», заявляет Чеунг. Он предсказывает использование роботов для постройки конструкций и перемещения внутри них, обслуживая части и заменяя сломанные части.
Исследователи также экспериментировали с прочностью своих структур, встраивая более тонкие, гибкие части в сетку. Встраивая эти части в определенные части структуры, исследователи могли заставить определенные участки сгибаться, в то время как остальные участки оставались жесткими. В самолете такой дизайн может помочь пилотам маневрировать на самолете, изгибая крылья вместо подъема и опускания элеронов.
Структуры даже не приближаются по силе и прочности к более плотным материалам, говорит материаловед Джеймс Тур из университета Райса в Хьюстоне. Однако они невероятно легки, а для автомобилей, самолетов и космических кораблей «вес – это огромное, огромное преимущество», говорит он.
В сентябре Чеунг присоединится к НАСА для изготовления структур в космосе.