Cercetători din Scoția și Italia au dezvoltat un nou tip de metamaterial realizat prin imprimare 3D, capabil de deformare prin torsiune, care ar putea îmbunătăți semnificativ protecția la impact a vehiculelor. Materialul are o structură unică, de tip rețea, ce îi permite să se răsucească în sine atunci când este comprimat, absorbind eficient energia loviturii, potrivit InterestingEngineering.
Urmărește cele mai noi producții video TechRider.ro
- articolul continuă mai jos -
În prezent, materialele de protecție utilizate în construcția vehiculelor sunt statice, concepute pentru scenarii specifice de impact și incapabile să se adapteze la condiții variabile. Noul material propus de echipa internațională de cercetare adresează această limitare, permițând un răspuns mecanic controlabil în funcție de intensitatea și tipul șocului.
Profesorul Shanmugam Kumar, de la James Watt School of Engineering din cadrul Universității din Glasgow, a explicat: „Acest studiu introduce o nouă clasă de metamateriale care nu au nevoie de sisteme electronice sau hidraulice complexe pentru a se adapta. Ele pot fi reglate pur și simplu prin control mecanic al rotației.”
Potrivit cercetătorului, structura internă a materialului, denumită rețea giroidă, transformă forța de compresie în mișcare de torsiune, ceea ce permite o absorbție eficientă a energiei. „Prin modificarea condițiilor de la margine putem ajusta caracteristicile de absorbție a energiei. Aceste materiale se pot adapta și își pot schimba propriile proprietăți în funcție de tipul și intensitatea impactului, pentru a atenua efectele,” a adăugat profesorul Kumar.
Materialul este fabricat din oțel, folosind procesul de producție aditivă – cunoscut și sub denumirea de imprimare 3D – care oferă un control precis asupra arhitecturii interne. Această tehnologie permite crearea unei forme complexe și poroase, numită gyroid lattice (rețea giroidă), ce conferă materialului proprietăți mecanice deosebite.
Studiul, publicat în revista Advanced Materials, descrie aceste structuri ca o subclasă de rețele arhitecturate, a căror comportare mecanică este explicată prin teoria elasticității micropolare. Prin aplicarea unor operații de torsiune asupra rețelelor primitive, cercetătorii au obținut materiale cu răspunsuri neliniare și proprietăți adaptabile în funcție de solicitare.
Pentru a demonstra viabilitatea conceptului, echipa a dezvoltat un cadru predictiv multiscală care combină mecanica continuului Cosserat (un model avansat al comportamentului materialelor care ține cont și de rotațiile interne ale particulelor), modelarea prin elemente finite și experimentele practice.
Structurile giroide cu deformare prin torsiune au fost realizate din oțel FE7131, cu o densitate relativă de 10%, și testate în condiții de compresie statică și dinamică, sub diferite constrângeri torsiunale.
Rezultatele au arătat o capacitate de absorbție adaptivă a energiei. Când materialul a fost împiedicat complet să se deformeze prin torsiune în timpul impactului, acesta a oferit cea mai mare rigiditate și a absorbit maximum de energie – 15,36 jouli per gram de material, potrivit studiului.
Cercetătorii au testat trei versiuni ale materialului pentru a evalua răspunsul la două tipuri de solicitări: impacturi rapide și compresii lente, cu creștere treptată a tensiunii. Datele obținute au fost comparate cu modele numerice complexe, care pot prezice cu precizie comportamentul metamaterialului în funcție de rata de deformare.
Pentru o corelare exactă între rezultate teoretice și experimentale, imperfecțiunile geometrice apărute în timpul imprimării 3D au fost măsurate prin reconstrucții micro-CT ale rețelelor imprimate.
Echipa de cercetare consideră că aceste metamateriale capabile de deformare prin torsiune pot fi aplicate în domeniile auto, aerospațial, feroviar și de apărare, oferind o protecție adaptivă superioară în cazul impacturilor. Totodată, ele ar putea fi folosite și pentru recuperarea energiei, prin conversia energiei de impact în energie cinetică rotațională.
Analiza performanței pe o diagramă Ashby (instrument grafic folosit pentru compararea proprietăților mecanice ale diferitelor materiale, precum rezistența și densitatea) a arătat că acest tip de material reprezintă o nouă clasă promițătoare de structuri mecanic adaptive, care pot combina rigiditatea și flexibilitatea în funcție de cerințele structurale.
Prin designul lor inteligent și prin capacitatea de a răspunde dinamic la solicitări, metamaterialele cu deformare prin torsiune ar putea deschide calea către o nouă generație de soluții de siguranță pentru vehiculele viitorului.
