如何用小塊做大事
2019/07/10420
研究人員發明了一種新方法，用于組裝大型結構 - 甚至是飛機和橋梁 - 由小型互鎖復合材料組成。
麻省理工學院的研究人員已經開發出一種輕質結構，其小塊可以像兒童建筑玩具的磚塊一樣折斷在一起。研究人員表示，這種新材料可以徹底改變飛機，航天器甚至更大型結構（如堤壩和堤壩）的組裝。
本周刊載于科學雜志的一篇論文中描述了新的建構方法，該雜志由博士后的Kenneth Cheung和麻省理工學院的Bits and Atoms中心主任Neil Gershenfeld共同撰寫。
Gershenfeld將結構（由微小的，相同的，互鎖的部件組成）比作鏈子。這些部件基于Cheung與Gershenfeld開發的新穎幾何形狀，形成了一種結構，對于給定重量，其結構比現有的超輕材料硬10倍。但是這種新結構也可以輕松拆卸和重新組裝 - 例如修復損壞，或將部件回收到不同的配置中。
各個部件可以批量生產; Gershenfeld和Cheung正在開發一種機器人系統，將它們組裝成機翼，飛機機身，橋梁或火箭 - 以及許多其他可能性。
Gershenfeld說，新設計結合了三個研究領域：纖維復合材料，多孔材料（用多孔電池制造）和增材制造（如三維印刷，其中結構是通過沉積而不是去除材料建造的）。
傳統的復合材料 - 現在用于從高爾夫球桿和網球拍到波音新787飛機部件的所有部件 - 每件都是作為連續單元制造的。因此，制造大型結構，例如飛機機翼，需要大型工廠，其中纖維和樹脂可以纏繞并且部件作為整體進行熱固化，從而最小化在最終組裝中必須連接的單獨件的數量。例如，這一要求意味著波音公司的供應商必須建造巨大的設施來為787制造零件。
磅為英鎊，新技術允許更少的材料承載給定的負載。這不僅可以減輕車輛的重量，例如 - 可以顯著降低燃料使用和運營成本 - 而且還可以降低建造和組裝的成本，同時允許更大的設計靈活性。該系統對于“你需要移動，放置在空中或太空中的任何東西都很有用”，Cheung說，他將于今年秋天開始工作，擔任美國宇航局艾姆斯研究中心的工程師。
在實驗室中，制備多孔復合材料樣品以測試其強度性質。 照片由Kenneth Cheung提供
Gershenfeld說，這個概念是針對“你能3D打印一架飛機嗎？”這個問題而出現的。雖然他和Cheung意識到三維打印是如此大規模的不切實際的方法，但他們想知道它是否可能是可能而是使用他們正在研究的離散“數字”材料。
“這滿足了問題的精神，”Gershenfeld說，“但它是組裝而不是印刷。”該團隊現在正在開發一種裝配機器人，它可以在一個不斷增長的結構表面爬行，像昆蟲一樣，逐個添加碎片現有的結構。
在傳統的復合材料制造中，大型部件之間的接頭往往是裂縫和結構故障開始的地方。雖然這些新結構是通過連接許多小復合纖維環而制成的，但Cheung和Gershenfeld表明它們的行為類似于彈性固體，其剛度或模量等于更重的傳統結構 - 因為力通過內部結構傳遞碎片分布在晶格結構上。
更重要的是，當傳統的復合材料受到破壞時，它們往往會突然大規模地失效。但研究人員說，新的模塊化系統往往只是遞增地失敗，這意味著它更可靠，更容易修復。“這是一個大規模冗余的系統，”Gershenfeld說。
Cheung生產了扁平的十字形復合材料，這些復合材料被夾在一個八面體單元的立方晶格中，這種結構稱為“cuboct” - 類似于地殼的主要成分 - 鈣鈦礦礦物的晶體結構。研究人員解釋說，雖然可以拆卸各個組件進行維修或回收，但它們不會自行脫落。與安全帶上的帶扣一樣，它們被設計成在正常使用中可能施加的力的方向上很堅固，并且需要在完全不同的方向上施加壓力以便被釋放。
連接多種類型零件的可能性為復合材料制造帶來了新的設計自由度。研究人員表明，通過組合不同的部件類型，他們可以制作具有相同幾何形狀的變形結構，但是在響應負載時以不同方式彎曲：不是僅在固定關節處移動，機器人的整個臂或飛機機翼都可以改變形狀。
負責飛機制造商空中客車公司創新計劃的Alain Fontaine表示，這種建筑結構的新方法“確實具有破壞性。它為設計和制造飛機結構提供了有趣的機會。“他說，這些技術可以為其他機會敞開大門”，并具有降低制造成本的巨大潛力。
除了Gershenfeld和Cheung之外，該項目還包括麻省理工學院的本科生Joseph Kim和校友Sarah Hovsepian（現在在美國宇航局的Ames研究中心）。這項工作得到了國防高級研究計劃局和比特和原子中心的贊助者的支持，Spirit Aerosystems在復合材料開發方面進行了合作。
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