5 прикладів біоніки у легкій конструкції - світ легкої конструкції
Папір легкий - але також нестійкий. Стільникова структура забезпечує більшу стійкість у гнізді оси. (Джерело: Pixabay)
Що насправді біоніка може сприяти полегшенню конструкції? Давайте розглянемо кілька прикладів біонічних легких будівельних виробів. З цього ми можемо дізнатися, як проблеми розвитку механічно стабільних продуктів з низькою вагою компонентів вирішувались з точки зору біоніки. Ми побачимо, які функціональні аналогії зрештою призвели до оптимізації ваги. Або які біонічні методи були увінчані успіхом у розробці продукції. Я знайшов приклади в міністерстві охорони навколишнього середовища Баден-Вюртемберга, Центрі ресурсоефективності та Біоконі.
Вгорі: Папір легкий, але також нестійкий. Стільникова структура забезпечує більшу стабільність у гнізді оси - біонічний принцип, який можна знайти у багатьох легких будівельних виробах. (Джерело: Pixabay)
1. Бокс-риба в автомобільному розвитку
Bionic Car від Daimler з 2005 року є результатом дослідження, наскільки біоніка може бути використана в автомобільній розробці. Отже, у так званому процесі «зверху вниз» йшлося про те, як природні моделі/функції можуть бути впроваджені в технології для досягнення цілі оптимізації - в даному випадку це економічно ефективний автомобіль з низьким коефіцієнтом опору. Біоніка знайшла те, що шукали, у коробчатій рибі: вона рухається своїм середовищем існування з невеликими витратами енергії, спритна, а її тіло витримує тиск води до глибини 35 м: обтічна, рухлива, стійка. Властивості ніби зроблені для автомобіля.
Шкаралупа бокс-риби особливо цікава для легкої конструкції. Він навряд чи має будь-яку вагу, невеликий обсяг і дуже стабільний. Метод SKO, розроблений професором Метьєком з Дослідницького центру Карлсруе, був використаний для того, щоб кузов транспортного засобу міг бути як жорстким, так і легким. Тіло було оптимізовано на основі моделі кістки. За допомогою процесу САО - біонічної оптимізації за зразком законів росту дерев (напруга на виїмках) - піки напруги проектної пропозиції були вилучені з процесу СКО. Вага тіла може бути зменшена приблизно на третину.
Вивчення та розробка транспортних засобів було описано у фільмі Даймлера (починаючи з хв. 1:45, йдеться про легку конструкцію) та незліченних публікаціях навіть у Вікіпедії. І навіть якщо біонічний автомобіль на той час випереджав свій час, можна припустити, що деякі висновки цього дослідження були включені до існуючих моделей виробника автомобілів.
2. Кістковий покрив з Фрайбурга
Біонічна архітектура використовує принципи природи - включаючи легку конструкцію. Це створює нові форми, які розглядаються як можливість для зручного для людей та екологічного будівництва. І все ж вони відомі давно - вони стали символами. Мова йде про Паризьку Ейфелеву вежу, реброподібна конструкція якої є втіленням результатів базових біологічних досліджень структури кісток. Один з менш відомих прикладів біоніки.
Інженери-архітектори та архітектори працюють з так званими "напружено-оптичними експериментами" та за допомогою комп'ютерного моделювання. Моделі піддаються сильним розтягуючим і стискаючим навантаженням. Механічне натяг деформує матеріал і впливає на його властивості.
Іншим прикладом цього є стеля лекторію з зоології в Університеті Фрайбурга, який був побудований за цим принципом наприкінці 1960-х.
Стельова конструкція з ізостатичними ребрами натхнена внутрішньою будовою кісток тварин. Залізобетонна стеля будівлі аудиторії складається з безлічі ребер, які, як і трабекули, проходять лише по лініях, на які діють стискаючі та розтягуючі сили. Таким чином, це біонічна будівля, оскільки архітектор переніс знання з біологічних досліджень у технічне застосування. Потік ідей від біології до технологій - процес знизу вгору.
Настільки ж стійкий тоді, як і сьогодні
У 2014 році фрейбурські дослідники обстежили членів Біокону проф. Томас Спек, доктор Ольга Спек та Флоріан Антоні з Групи рослинної біомеханіки Фрайбурзького університету разом з професором д-ром Райнер Грісхаммер з Фрайбурзького Інституту Око дослідив стійкість стелі ротонди порівняно з легкими конструкціями, які сьогодні використовуються для будівництва стель. Їх результат: конструкція стелі лекційного залу з тих пір може відповідати сучасним сучасним вимогам. Команда опублікувала свої результати у журналі "Біоінспірація та біоміметика".
3. Технічний стебло рослин
Біологи з Фрайбурзького університету та інженери з Інституту текстильної та технологічної промисловості Денкендорф поєднали різні будівельні принципи природи в новому технічному продукті: "стеблі технічного заводу". Прикладом для наслідування процесу знизу вгору були стебла, такі як бамбукові або трубчасті стебла, які з механічної точки зору є природними легкими конструкціями. Компроміс між легкістю та стабільністю.
Стебло технічного заводу, на яке розглядається патент, є композиційним матеріалом із біонічного волокна, який, незважаючи на свою малу вагу, має високий рівень стійкості до вигину та перегину. Він також може добре гасити вібрації. Кабелі або лінії рідини можна прокласти в центральному центральному каналі або у дванадцяти функціональних каналах. Цей біонічний легкий напівфабрикат може бути використаний в аерокосмічній промисловості, а також у автомобільному будівництві або у сфері спорту та відпочинку.
4. Чого вчать нас черепахи та бджоли про легку конструкцію
Шестикутні конструкції, такі як ті, що знаходяться в стільникових сотах або у вигляді склепіння на черепаховій черепашці, мають багато переваг: вони стабільні при незначному використанні матеріалу (ваги!) І оптимально використовують наявний простір. Тонкостінні матеріали, такі як метал, пластмаси, картон і папір, утворюють у циліндрі під тиском так звану шестигранну або восьмикутну склепінчасту структуру.
Принцип ефекту самотвердіння склепінчастих конструкцій на тонкому циліндрі був відкритий в середині 70-х років проф. Френк Міртч.
На основі цієї моделі можна виготовляти стійкі до розмірів та гнучкі листи та фольги для різноманітних застосувань та з різних матеріалів. Залежно від продукту при легкій конструкції можлива значна економія матеріалу на 30% і більше. Завдяки структуруванню сховища інструменти та етапи процесу можна навіть заощадити порівняно з процесами тиснення або штампування. Важливий момент для ефективності використання ресурсів.
Легким продуктом, заснованим на цій біонічній моделі, є, наприклад, полегшений каталітичний нейтралізатор Emitec - корпус каталітичного нейтралізатора для мотоциклів (див. Ілюстрацію). 3D-конструкція даху спортивного залу в Одесі також спроектована та побудована відповідно до цього прикладу. Багато інших прикладів - не тільки в легкій конструкції - на стороні компанії Dr. Mirtsch GmbH знайти.
5. Слизьові форми як приклад біоніки в легкій конструкції
Цвілеві цвілі ростуть із центральної точки в напрямку доступних поживних речовин і, таким чином, поширюються як мережа. Вузли цієї коси з'єднані між собою мінімізованою кількістю слизових ниток. В результаті цього процесу біологічного зростання з’явився алгоритм, який забезпечує стабільну легку конструкцію завдяки ієрархічно структурованим, природно вирощеним зв’язкам.
Ця біонічна модель знайшла свою технічну функціональну аналогію в авіабудуванні: розроблений процес біообчислення забезпечує велику кількість проектних пропозицій, які можна оцінити та розвинути. Цей приклад стосується перегородки кабіни в Airbus A320, яка є якомога легшою та економічно ефективнішою. Для того, щоб зробити перегородку ще легшою, матеріал також нарощувався в окремих стійках, аналогічно росту кісток. Перегородка виконана за допомогою 3D-друку, використовуваний матеріал - високоефективний алюмінієвий порошок (Scalmalloy), який можна обробляти за допомогою виробництва аддитивних шарів (ALM).
З тією ж міцністю вага перегородки зменшився майже наполовину (45%), поєднавши дві біонічні моделі. Багато деталей про проект можна знайти в довідковому матеріалі Autodesk.
Ці п’ять прикладів біоніки у полегшеній конструкції показують, наскільки різні підходи до рішення біонічної легкої конструкції. І вони показують, що біоніка для легкого будівництва містить майже невичерпний пул ідей, які потрібно використовувати в подальшій роботі.
- Ви вважаєте тему біоніки та легкої конструкції захоплюючою? Клацніть тут для статті статті Легка конструкція відповідає ... біоніці
Автор: Крістін Коблміллер, Редактор, засновник, спеціаліст-журналіст із захопленням