Engenheiros do MIT usam kirigami para fazer estruturas ultrafortes e leves

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Os sólidos celulares são materiais compostos por muitas células que foram compactadas, como um favo de mel. A forma dessas células determina em grande parte as propriedades mecânicas do material, incluindo a sua rigidez ou resistência. Os ossos, por exemplo, são preenchidos com um material natural que lhes permite ser leves, mas rígidos e fortes.

Inspirados nos ossos e outros sólidos celulares encontrados na natureza, os humanos usaram o mesmo conceito para desenvolver materiais arquitetados. Ao alterar a geometria das células unitárias que compõem esses materiais, os pesquisadores podem personalizar as propriedades mecânicas, térmicas ou acústicas do material. Os materiais arquitetônicos são usados ​​em muitas aplicações, desde espuma de embalagem com absorção de choque até radiadores reguladores de calor.

Usando o kirigami, a antiga arte japonesa de dobrar e cortar papel, os pesquisadores do MIT fabricaram agora um tipo de material arquitetado de alto desempenho conhecido como treliça de placas, em uma escala muito maior do que os cientistas conseguiram anteriormente por fabricação aditiva. Esta técnica permite-lhes criar estas estruturas a partir de metal ou outros materiais com formas personalizadas e propriedades mecânicas especificamente adaptadas.

“Este material é como a cortiça de aço. É mais leve que a cortiça, mas com elevada resistência e elevada rigidez”, afirma o professor Neil Gershenfeld, que lidera o Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e é autor sénior de um novo artigo sobre esta abordagem.

Os pesquisadores desenvolveram um processo de construção modular no qual muitos componentes menores são formados, dobrados e montados em formas 3D. Usando esse método, eles fabricaram estruturas e robôs ultraleves e ultrafortes que, sob uma carga específica, podem se transformar e manter sua forma.

Como essas estruturas são leves, mas fortes, rígidas e relativamente fáceis de produzir em massa em escalas maiores, elas podem ser especialmente úteis em componentes arquitetônicos, de aviões, automotivos ou aeroespaciais.

Juntando-se a Gershenfeld no artigo estão os co-autores principais Alfonso Parra Rubio, assistente de pesquisa no CBA, e Klara Mundilova, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação do MIT; junto com David Preiss, aluno de pós-graduação do CBA; e Erik D. Demaine, professor de ciência da computação do MIT. A pesquisa será apresentada na Conferência de Computadores e Informação em Engenharia da ASME.

Fabricação dobrando

Materiais arquitetados, como treliças, são frequentemente usados ​​como núcleos para um tipo de material compósito conhecido como estrutura sanduíche. Para visualizar uma estrutura sanduíche, pense em uma asa de avião, onde uma série de vigas diagonais que se cruzam formam um núcleo de treliça que fica imprensado entre um painel superior e um painel inferior. Esta treliça tem alta rigidez e resistência, mas é muito leve.

As redes de placas são estruturas celulares feitas de interseções tridimensionais de placas, em vez de vigas. Estas estruturas de alto desempenho são ainda mais fortes e rígidas do que as treliças, mas a sua forma complexa torna-as difíceis de fabricar utilizando técnicas comuns como a impressão 3D, especialmente para aplicações de engenharia em grande escala.

Os pesquisadores do MIT superaram esses desafios de fabricação usando o kirigami, uma técnica para criar formas 3D dobrando e cortando papel cuja história remonta aos artistas japoneses do século VII.

Kirigami tem sido usado para produzir treliças de placas a partir de vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. Mas para fazer uma estrutura em sanduíche, é necessário fixar placas planas na parte superior e inferior deste núcleo corrugado nos pontos estreitos formados pelos vincos em zigue-zague. Isso geralmente requer adesivos fortes ou técnicas de soldagem que podem tornar a montagem lenta, cara e difícil de dimensionar.