Исследователи из MIT разработали структуру нового печатного материала, имитирующего строение раковин моллюсков

Исследователи из MIT разработали структуру нового печатного материала, имитирующего строение раковин моллюсков

Исследователи из MIT разработали структуру нового печатного материала, имитирующего строение раковин моллюсков

01 июня
Покажи другу:

Исследователи из Массачусетского технологического института воспользовались методами 3D‑печати для воссоздания прочной структуры раковин беспозвоночных. Ученые Грейс Гу, Махди Такаффоли и профессор инженерии Маркус Бюлер (Markus Buehler), считают, что разработанный материал найдет свое применение при изготовлении бронежилетов следующего поколения.

Полная статья под названием «Иерархически усиленная ударная стойкость композитов на основе строения биологических организмов» была опубликована в журнале Advanced Materials.

Перед началом своего проекта, инженеры из MIT уделили время изучению устройства оболочки раковины. Ее прочность по сравнению с другими материалами связана со способностью поглощать и рассеивать энергию без образования глубоких поверхностных трещин. При анализе характеристик раковин группа исследователей обнаружила, что секрет их превосходной устойчивости к ударам заключается в чередовании частей раковин. Такая трехуровневая структура, согласно опубликованной работе, означает, что подобное устройство затрудняет распространение трещин по слоям.

Следующим этапом была имитация подобной структуры при помощи 3D-принтера. После моделирования структуры оболочки раковины на компьютере команда воспользовалась устройством Stratasys Objet 500 для создания материала, который имитировал многослойное строение защитной оболочки.

Как утверждает Грейс Гу, раковины обладают уникальным строением, которое придает материалу жесткость в 10 раз большую, чем перламутр, внутренний слой раковин. Эта устойчивость к трещинам достигается за счет уникальной конфигурации, в основе которой лежат три разных уровнях иерархии внутренней структуры материала.

Трехуровневая структура очень затрудняет распространение микротрещин. «[Материал устроен в виде] зигзагообразной матрицы, поэтому трещина должна пройти через своего рода лабиринт [чтобы распространиться далее]», приводит сравнение Грейс Гу.

Устройство структуры раковины известно и понятно, однако его имитация до сих пор была непростой задачей. «Теперь наша лаборатория разработала технологию 3D печати, которая позволяет нам дублировать такую структуру, а также подвергнуть ее тестированию», заявил профессор Бюлер.

В рамках проекта команде ученых удалось имитировать поведение материала и проанализировать его поведения в реальных условиях. «Раньше большинство испытаний [устойчивости защитных материалов] представляли собой статические тесты», поделилась Грейс Гу. Тем не менее, многие заявки на поставку товаров для военных нужд или активных видов спорта связаны с высокой динамической нагрузкой, требующих детального изучения того, как на материале сказывается физическое воздействие с течением времени.

Чтобы оценить ударную прочность 3D‑печатного материала на основе раковины, исследователи провели серию ударных испытаний, в ходе которых была продемонстрирована способность многослойного материала рассеивать энергию с минимальным растрескиванием или разрывом. Испытания показали, что структура раковины обладает сопротивляемостью лучшей на 70%, чем традиционное структуры из углеродного волокна.

Частично это объясняется тем, что команда смогла создать композиционный материал с точно контролируемой структурой, не основываясь на образцах реально существующих оболочек раковин, которые склонны иметь непредсказуемые вариации, усложняющие анализ.

Отобрав образцы, команда смогла воспользоваться той же геометрией объектов, что и в компьютерной модели, что позволило добиться высокой степени согласованности результатов. Теперь группа сможет сосредоточиться на создании небольших вариаций в качестве основы для будущей оптимизации структуры материала, считает Бюлер.

Тестирование выявила, что материал, обладающий геометрией с крохотными, перекрестно скрещенными компонентами на 85% лучше предотвращает распространение трещин, чем самый прочный базовый материал, и на 70% лучше, чем традиционный композитный материал на основе, поделилась результатами Грейс Гу.

Исследователи считают, что разработанный материал имеет потенциал для создания более прочных бронежилетов или шлемов. В частности, использование 3D-печати может быть дополнено применением 3D-сканирования. Именно индивидуализированные шлемы или бронежилеты, которые были бы оптимально оптимизированы для каждого конкретного пользователя, обладали бы наилучшей прочностью ввиду слоистой структуры печатного материала.

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/mit-researchers-create-advanced-3d-printed-material-mimicking-co...





Комментарии (0)


Чтобы оставить комментарий вам необходимо авторизоваться


количество
пользователей

2394

количество
работ

4844