Honeycomb-lignende rammer med usædvanlige krusede former kan producere spændebestandige arkitekturer

Kompositpaneler, der anbringer en porøs indre kerne mellem to solide ydre plader, bliver i stigende grad brugt i fly for at reducere vægten og samtidig bevare den strukturelle stivhed. En undersøgelse ledet af A*STAR kan hjælpe andre industrier med at udnytte fordelene ved sandwichpaneler ved at bruge tredimensionel (3-D) udskrivning til at generere kernestrukturer optimeret til forskellige mekaniske belastninger.

Mange eksisterende sandwichpaneler har kerner inspireret af de effektivt pakkede sekskantede celler inde i bistader. For nylig, forskere har undersøgt strategier til at minimere vægten af ​​kerner ved at konstruere gitterlignende rammer, der holdes sammen af ​​tynde bjælker kendt som truss. Men det er stadig en vedvarende udfordring at forhindre, at disse spær vrider sig eller knækker for tidligt.

En overraskende måde, som ingeniører tackler dette problem på, er ved at skifte fra normalt lige spær til dem med bump, bølger, og andre uregelmæssige træk. "Diametervariationer giver mulighed for lokal fortykkelse, hvor de højeste knækmomenter forekommer, mens du reducerer tykkelsen i andre områder langs bindingsværkerne, " forklarer Stefanie Feih fra Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) ved A*STAR. "Vi kan derfor beholde den samme masse, men øg knækstyrken markant."

I samarbejde med forskere ved National University of Singapore (NUS) og Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Feih og hendes medarbejdere udviklede en metode til at identificere de stærkeste typer af uensartede spær. De opnåede dette ved at bruge matematiske teknikker til at karakterisere komplekse overflader som simple variable - glatheden af ​​en overflade, for eksempel, eller hyppigheden af ​​en tilbagevendende form. En beregningsalgoritme beregner derefter knækstyrken af ​​forskellige geometriske spær, og foreslår kandidater baseret på inputdesignparametrene.

Lei Zhang, en ph.d. studerende på NUS, der var med til at lede studiet, bemærker, at med blot nogle få variabler til optimering, denne metode kan let skaleres ud over simple endimensionelle former. For at demonstrere dette, forskerne modellerede en 3-D struktur, kendt som et Kagome gitter, hvor stjerneformede bindingsværk har arme, der strækker sig i seks forskellige retninger. Deres simuleringer isolerede en ujævn struktur med 20 procent bedre spændingsmodstand end ensartede spær med samme vægt.

Fordi kommercielle fremstillingsteknologier er rettet mod at producere ensartede genstande, holdet henvendte sig til additiv fremstilling for at generere en prototype sandwichpanel ud fra den optimalt formede Kagome-gitterstruktur. Den resulterende 3-D printede kerne validerede modellens forudsigelser, sætter scenen for fremtidige industrielle applikationer.

"Nuværende gitterstrukturdesign udnytter ikke mulighederne for additiv fremstilling fuldt ud, " siger Feih. "Vores arbejde fremhæver potentialet for skræddersyede multifunktionelle designs, ved at kombinere, for eksempel, mekaniske og termiske krav i én komponent."