В Массачусетском технологическом институте создана новая легкая структура, состоящая из миниатюрных блоков, стыкующихся наподобие кубиков Lego. По мнению исследователей, новый материал произведет революцию в процессах сборки крупных конструкций (самолеты, космические корабли, мосты и дамбы), сообщает Tech Fragments. Нил Гершенфельд (Neil Gershenfeld), директор Центра частиц и атомов МТИ, сравнил новую структуру (из крошечных, идентичных, сцепленных элементов) с кольчугой.
Новый композиционный материал собирается и разбирается как кубики LEGOНеобычная геометрия, которую соавтор исследования Кеннет Чун (Kenneth Cheung) разработал вместе с Гершенфельдом, позволяет элементам образовывать структуру, в десять раз более крепкую (относительно единицы массы), чем существующие сверхлегкие материалы. Но новая структура с легкостью разбирается и собирается – для ремонта, или перестройки в другую конструкцию. Современные композиционные материалы не дают такой возможности.
Отдельные элементы поступают в массовое производство. Исследователи уже разрабатывают систему автоматизированной сборки, которая позволит получать их них фюзеляж и крылья самолетов, мосты и ракеты. Мы объединили три отрасли, рассказывает Гершенфельд: волоконные композитные материалы, пористые пеноматериалы и 3D-печать.
Технология современных композитов требует больших фабрик, где соединяют волокна и пластмассы, и составные части крупных конструкций подвергаются горячему отверждению – что сокращает до минимума количество отдельных частей, которые нужно будет соединять во время окончательной сборки. Поставщикам «Боинга», например, приходится строить заводы для изготовления отдельных деталей Boeing 787 Dreamliner.
Благодаря новой технологии нужную нагрузку выдерживает материал куда меньшего веса и объема – это существенно сокращает затраты на производство и сборку готовых изделий.
Как появилась идея нового материала? Гершенфельд и Чун думали над ответом на вопрос: «можно ли напечатать самолет на 3D-принтере?» Обычно для конструкций такого масштаба это слишком убыточный и громоздкий метод – но новый материал может изменить ситуацию. Исходные материалы («кубики») будут напечатаны, а дальше специальный робот-сборщик будет ползать по поверхности растущей конструкции, добавляя к ней новые «кирпичики».
Трещины и другие структурные нарушения в современных композитах обычно случаются на стыках между крупными блоками. Новому материалу это не грозит: хотя в нем соединяется множество волоконных «петелек», он функционирует скорее как упругое твердое тело, утверждают Чун и Гершенфельд. Повышенная прочность обеспечивается тем, что внешние воздействия распределяются по всей решетчатой структуре.
Кроме того, когда воздействие на композиты превышает предел прочности, они ломаются резко и в крупных масштабах. А новая модульная система ломается «шаг за шагом» – что делает ее более надежной и облегчает починку. «Это система с мощнейшим резервированиям», – говорит Гершенфельд.
Материал состоит из плоских крестовидных элементов, «уложенных» в кубическую решетку из восьмигранных ячеек. Вся структура называется «кубокт» – она идентична кристаллической решетки перовскита (минерала, составляющего изрядную часть земной коры).
Конструкция легко разбирается для ремонта или переделки; сама по себе же не разваливается. Подобно пряжке на ремне безопасности, она прочна там, куда прикладывается сила, а для раскрытия требует легкого давления в прямо противоположном направлении.