5 примера за бионика в леката конструкция - светът на леката конструкция
Хартията е лека - но и нестабилна. Структурата на пчелната пита осигурява по-голяма стабилност в гнездото на осата. (Източник: Pixabay)
Какво всъщност може да допринесе биониката за леката конструкция? Нека разгледаме някои примери за бионични леки строителни продукти. От това можем да научим как предизвикателствата при разработването на механично стабилни продукти с ниско тегло на компонентите са били преодолени от гледна точка на биониката. Ще видим кои функционални аналогии в крайна сметка са довели до оптимизиране на теглото. Или кои бионични методи са били увенчани с успех в разработването на продукта. Намерих примерите в Министерството на околната среда в Баден-Вюртемберг, Центъра за ефективност на ресурсите на VDI и Biokon.
Отгоре: Хартията е лека - но също така нестабилна. Структурата на пчелната пита осигурява по-голяма стабилност в гнездото на осата - бионичен принцип, който може да се намери в много леки строителни продукти. (Източник: Pixabay)
1. Boxfish в автомобилното развитие
Bionic Car на Daimler от 2005 г. е резултат от изследване на степента, до която биониката може да се използва в автомобилното развитие. Следователно в така наречения процес отгоре надолу ставаше дума за това как естествените модели/функции могат да бъдат внедрени в технологиите, за да се постигне целта за оптимизация - в този случай ресурсно ефективна кола с нисък коефициент на съпротивление. Биониката е открила това, което са търсили в боксовата риба: тя се движи през местообитанието си с малко енергийни разходи, пъргава е и тялото й може да издържи на водно налягане до дълбочина 35 м: рационално, пъргаво, стабилно. Свойства, сякаш направени за автомобил.
Черупката на боксовата риба е особено интересна за леката конструкция. Едва ли има някакво тегло, малък обем и е много стабилен. Методът SKO, разработен от проф. Mattheck от изследователския център в Карлсруе, беше използван, за да може тялото на превозното средство да бъде едновременно твърдо и леко. Тялото е оптимизирано въз основа на модела на костта. С помощта на процеса CAO - бионична оптимизация, моделирана по законите на растежа на дърветата (стрес на стъпалото) - пиковете на напрежение на проектното предложение бяха премахнати от процеса SKO. Теглото на тялото може да бъде намалено с около една трета.
Проучването и разработката на превозното средство са описани във филм на Daimler (от мин. 1:45 нататък, става дума за лека конструкция) и безброй публикации, дори в Wikipedia. И дори бионичният автомобил да е изпреварил времето си по това време, може да се предположи, че някои от констатациите от това проучване са включени в съществуващите модели на автомобилния производител.
2. Костната обвивка от Фрайбург
Бионичната архитектура използва принципи на природата - включително лека конструкция. Това създава нови форми, които се разглеждат като възможност за благоприятна за хората и екологична сграда. И все пак те отдавна са известни - да, те са се превърнали в символи. Говорим за Парижката Айфелова кула, чиято ребрена конструкция е изпълнение на констатациите от основни биологични изследвания на костната структура. Един от по-малко известните примери за бионика.
Гражданските инженери и архитекти работят с така наречените „стрес-оптични експерименти“ и с помощта на компютърни симулации. Моделите са изложени на силни опън и натиск. Механичното напрежение деформира материала и влияе върху неговите свойства.
Друг пример за това е таванът на лекционната зала по зоология в университета във Фрайбург, който е построен по този принцип в края на 60-те години.
Таванната конструкция с изостатични ребра е вдъхновена от вътрешната структура на костите на животните. Стоманобетонният таван на сградата на лекционната зала се състои от множество ребра, които подобно на трабекулите преминават само по линиите, върху които действат силите на натиск и опън. По този начин това е бионична структура, защото архитектът е прехвърлил знания от биологичните изследвания в техническо приложение. Потокът от идеи от биологията към технологията е процес отдолу нагоре.
Толкова устойчиво и тогава, както и днес
През 2014 г. изследователите от Фрайбург изследват членовете на Biokon проф. Д-р. Томас Спек, д-р Олга Спек и Флориан Антоний от Групата по растителна биомеханика към Университета във Фрайбург заедно с проф. Д-р. Райнер Грисхамер от института Öko-Freiburg провери устойчивостта на тавана на ротондата в сравнение с леките конструкции, използвани днес за изграждане на тавани. Техният резултат: Конструкцията на тавана на лекционната зала от тогава може да бъде в крак с текущото състояние на техниката. Екипът публикува резултатите си в списание "Биоинспирация и биомиметика".
3. Стъблото на техническото растение
Биолози от университета във Фрайбург и инженери от Института за текстилна и технологична техника Денкендорф са комбинирали различни строителни принципи на природата в нов технически продукт: „техническото стъбло на растението“. Моделите за процеса отдолу нагоре са стъбла от растения като бамбукови или тръбни стъбла, които от механична гледна точка са естествени леки структури. Компромис между лекота и стабилност.
Техническото стъбло на растението, за което се чака патент, е композитен материал от бионични влакна, който въпреки ниското си тегло има високо ниво на устойчивост на огъване и прегъване. Той също така може добре да успокои вибрациите. Кабели или течни линии могат да бъдат положени в централния централен канал или в дванадесетте функционални канала. Този бионичен лек полуфабрикат може да се използва в космическата индустрия, както и в автомобилното строителство или в областта на спорта и отдиха.
4. На какво ни учат костенурките и пчелите за леката конструкция
Шестоъгълните структури, както се появяват в пчелната пита или като сводеста структура на черупката на костенурката, имат много предимства: Те са стабилни с малко използване на материал (тегло!) И използват оптимално наличното пространство. Тънкостенни материали като метал, пластмаси, картон и хартия образуват така наречената шестоъгълна или осмоъгълна сводова структура в цилиндър под налягане.
Принципът на самозатягащия ефект на сводестите конструкции върху тънък цилиндър е открит в средата на 70-те години от проф. Д-р. Франк Мирч.
Според този модел могат да бъдат произведени стабилни и гъвкави листове и фолиа за много приложения и от различни материали. В зависимост от продукта са възможни значителни икономии на материали от 30% и повече при олекотена конструкция. С помощта на структурирането на трезора инструментите и стъпките на процеса могат дори да бъдат запазени в сравнение с процесите на щамповане или щамповане. Важен момент за ефективността на ресурсите.
Лек продукт, базиран на този бионичен модел, е например олекотеният катализатор Emitec - корпус на каталитичен конвертор за мотоциклети (вижте илюстрацията). 3D конструкцията на покрива на спортната зала в Одеса също е проектирана и изградена според този пример. Много други примери - не само в леката конструкция - са на страната на компанията Dr. Mirtsch GmbH да намери.
5. Форми за слуз като пример за бионика в леката конструкция
Мухъл плесени растат от централна точка в посока на достъпни хранителни вещества и по този начин се разпространяват като мрежа. Възлите на тази плитка са свързани помежду си с минимален брой слузести нишки. Този процес на биологичен растеж се превърна в алгоритъм, който позволява стабилна лека конструкция чрез йерархично структурирани, естествено отглеждани връзки.
Този бионичен модел намери своята техническа функционална аналогия в самолетостроенето: разработеният процес на биокомпютриране предоставя голям брой проектни предложения, които могат да бъдат оценени и доразвити. Този пример е за преграда на кабината в Airbus A320, която е възможно най-лека и ефективно с материал. За да направи преградата още по-лека, материалът също е изграден в отделните подпори, аналогично на растежа на костите. Преградата е направена чрез 3D печат, като използваният материал е високоефективен алуминиев прах (Scalmalloy), който може да бъде обработен чрез Additive Layer Manufacturing (ALM).
Със същата здравина теглото на преградата беше намалено почти наполовина (45%) чрез комбиниране на два бионични модела. Много повече подробности за проекта можете да намерите в справочния материал на Autodesk.
Тези пет примера за бионика в олекотената конструкция показват колко различни са подходите за решение при бионичната лека конструкция. И те показват, че биониката за леки конструкции съдържа почти неизчерпаем набор от идеи, които трябва да се използват при по-нататъшна работа.
- Намирате ли темата за биониката и леката конструкция за вълнуваща? Щракнете тук за серията статии Леката конструкция отговаря на ... бионика
Автор: Кристин Коблмилер, Редактор, основател, специалист журналист със страст