Placas reticuladas serão o projeto de escolha para futuros materiais porosos leves. Crédito:ETH Zurique / Marc Day
Os pesquisadores da ETH desenvolveram e fabricaram uma família de arquiteturas que maximiza a rigidez de materiais leves porosos. É praticamente impossível desenvolver designs mais rígidos.
A impressão 3D e outras técnicas de produção de aditivos tornam possível a fabricação de materiais com estruturas internas de complexidade antes inimaginável. Isso é interessante para construção leve, também, pois permite o desenvolvimento de materiais que têm a maior parcela possível de vazios internos (para tornar os materiais o mais leves possível), mas são simultaneamente o mais robustos possível. Para conseguir isso, é necessário que as estruturas internas sejam organizadas de maneira inteligente para a máxima eficiência.
Uma equipe de pesquisa da ETH Zurich e MIT liderada por Dirk Mohr, Professor de Modelagem Computacional de Materiais na Manufatura, desenvolveu e fabricou arquiteturas de materiais que são igualmente fortes em todas as três dimensões, e que são simultaneamente extremamente rígidos.
É possível determinar matematicamente até que ponto os materiais rígidos com vazios internos podem se tornar teoricamente; As estruturas de Mohr mostraram chegar extremamente perto dessa rigidez máxima teórica. Dito de outra forma, é praticamente impossível desenvolver outras estruturas de materiais que sejam mais rígidas para o peso dado.
Placas substituindo treliças
Uma característica do projeto é que a rigidez no interior do material é obtida por meio de treliças de placa em vez de treliças.
Essa estrutura é uma das mais rígidas de todos os tempos. Crédito:Tancogne-Dejean T et al. Materiais avançados 2018
"O princípio da treliça é muito antigo; há muito tempo é usado para casas de enxaimel, pontes e torres de aço, como a Torre Eiffel.
Podemos ver através das treliças, então eles são frequentemente percebidos como estruturas leves ideais, "diz o professor Mohr." No entanto, usando cálculos de computador, teoria e medidas experimentais, estabelecemos agora uma nova família de estruturas de placa-rede que são até três vezes mais rígidas do que treliça-treliça do mesmo peso e volume "(Ver caixa.) E não é apenas a rigidez (resistência à deformação elástica) dessas estruturas que se aproximam de valores máximos teóricos:sua força (resistência à deformação irreversível) faz, também.
Os pesquisadores da ETH desenvolveram inicialmente essas redes no computador, calcular suas propriedades no processo. Em seguida, eles os produziram em escala de micrômetro, do plástico à impressão 3-D. Mohr enfatiza, Contudo, que as vantagens deste projeto são universalmente aplicáveis - para todos os materiais constituintes e também em todas as escalas de comprimento, do muito pequeno (tamanho nanométrico) ao muito grande.
Exemplo de estrutura de placa de polímero fabricada aditivamente (à esquerda) e uma estrutura de treliça (à direita). O cubo à esquerda é construído a partir de placas medindo apenas 2 micrômetros de espessura. Ambos os cubos têm um comprimento de borda de 0,2 milímetros. Crédito:Tancogne-Dejean T et al. Materiais Avançados 2018
À frente de seu tempo
Mohr e sua equipe de pesquisa estão à frente de seu tempo com essas novas estruturas:no momento, a fabricação com impressão 3-D ainda é relativamente cara. "Se esses tipos de treliça fossem fabricados aditivamente de aço inoxidável hoje, eles custariam tanto por grama quanto prata, "diz Mohr." Mas o avanço virá quando as tecnologias de manufatura aditiva estiverem prontas para a produção em massa. Construção leve, o custo atual do qual limita seu uso prático para a fabricação de aeronaves e aplicações espaciais, também poderia ser usado para uma ampla gama de aplicações em que o peso desempenha um papel. "Além de tornar as estruturas mais leves, os numerosos vazios também reduzem a quantidade de matéria-prima necessária, e, portanto, também os custos de material.
Quando se trata de suportar cargas em todas as três dimensões (de cima ou de baixo, esquerda ou direita, e atrás ou frente), placas-reticulados têm uma vantagem clara sobre treliças-treliça. O seguinte experimento mental ajuda a entender isso:Imagine dois cubos com paredes externas muito finas. Dentro deles, há suportes para evitar que os cubos sejam comprimidos quando a pressão externa é aplicada. Um cubo usa treliças, e o outro, placas (ver figura). Em ambos os casos, o volume do material, e, portanto, o peso da estrutura interna, é idêntico. Se uma força for aplicada à estrutura de treliça (centro) de cima, um dos três stuts (amarelo) carrega essa força. As outras duas escoras (azuis) não contribuem para a estabilidade, mas são necessários caso a força venha de outra direção. Se, em contraste, força é aplicada à estrutura da placa (direita) de cima, duas das três placas contribuem para sua estabilidade (as amarelas). Este formulário faz um uso muito melhor dos suportes internos, então é mais eficiente. Crédito:ETH Zurique
Não há limite para as aplicações potenciais, Mohr diz. Implantes médicos, invólucros de laptop e estruturas de veículos ultraleves são apenas três dos muitos exemplos possíveis. "Quando for a hora certa, assim que materiais leves estiverem sendo fabricados em grande escala, "Mohr diz, "essas grades de placas periódicas serão o projeto de escolha."
