Güçlü metal kafesler, Japon kağıt kesiminden alınan yöntemler kullanılarak oluşturulmuştur, mantardan daha hafiftir ve programlanabilir mekanik özelliklere sahiptir.
Bal peteği gibi sıkıca bir araya getirilmiş birkaç hücreden oluşan malzemeler hücresel katılar olarak bilinir. Malzemenin sertliği veya gücü gibi mekanik özellikleri büyük ölçüde bu hücrelerin şekli tarafından belirlenir. Örneğin kemikler, onları hafif, sert ve güçlü kılan doğal bir madde ile yüklüdür.
İnsanlar da aynı fikri kullanarak kemiklerden ve doğada bulunan diğer hücresel katılardan esinlenen mimari malzemeler yaratmıştır. Araştırmacılar, bu malzemelerin mekanik, termal veya akustik özelliklerini, onları oluşturan birim hücrelerin geometrisini değiştirerek değiştirebilirler.
Mimari malzemeler, ısıyı kontrol eden radyatörler ve şoku emen ambalaj köpüğü de dahil olmak üzere çeşitli ürünlerde kullanılmaktadır.
MIT araştırmacıları şimdi plaka kafes olarak bilinen bir tür yüksek performanslı mimariye sahip malzemeyi, bilim insanlarının daha önce katkı sentezi kullanarak yapabildiklerinden çok daha büyük ölçekte üretti. Kirigami, geleneksel Japon kağıt katlama ve kesme sanatıdır. Bu yapılar, bu teknoloji kullanılarak metalden veya diğer malzemelerden yapılabilir ve ısmarlama formlara ve mekanik niteliklere sahip olabilirler.
“Bu madde bana çelik mantarı hatırlatıyor. MIT’deki Bitler ve Atomlar Merkezi’ni (CBA) yöneten ve bu yöntemle ilgili yeni bir çalışmanın kıdemli yazarı olan Profesör Neil Gershenfeld, bu maddenin mantardan daha hafif olduğunu ancak daha yüksek mukavemet ve sertliğe sahip olduğunu iddia ediyor.
Mimari malzemeler, ısıyı kontrol eden radyatörler ve şoku emen ambalaj köpüğü de dahil olmak üzere çeşitli ürünlerde kullanılmaktadır.
MIT araştırmacıları şimdi plaka kafes olarak bilinen bir tür yüksek performanslı mimari malzemeyi, bilim insanlarının daha önce katkı sentezi kullanarak yapabildiklerinden çok daha büyük ölçekte üretti. Kirigami, geleneksel Japon kağıt katlama ve kesme sanatıdır. Bu yapılar, bu teknoloji kullanılarak metalden veya diğer malzemelerden yapılabilir ve ısmarlama formlara ve mekanik niteliklere sahip olabilir.
“Bu malzeme bana çelik mantarı hatırlatıyor. MIT’deki Bitler ve Atomlar Merkezi’ni (CBA) yöneten ve bu yöntemle ilgili yeni bir çalışmanın kıdemli yazarı olan Profesör Neil Gershenfeld, bu malzemenin mantardan daha hafif olduğunu ancak daha yüksek mukavemet ve sertliğe sahip olduğunu iddia ediyor.
Bu kafes kiriş son derece hafif olmasına rağmen büyük bir sertlik ve mukavemete sahiptir.
Plaka kafesler, kiriş kullanmak yerine plakaların kesişim noktalarından üç boyutlu olarak inşa edilen hücresel yapılardır. Bu yüksek performanslı yapılar kafes kirişlerden daha sert ve güçlü olsalar da, karmaşık geometrileri nedeniyle özellikle büyük ölçekli mühendislik uygulamaları için 3D baskı gibi standart yöntemler kullanılarak inşa edilmeleri zordur.
MIT araştırmacıları, yedinci yüzyılda Japon zanaatkârlara kadar uzanan, kâğıttan üç boyutlu şekiller yaratma yöntemi olan kirigamiyi kullanarak bu üretim zorluklarının üstesinden geldi.
Kirigami ile kısmen katlanmış zikzak kıvrımlar kullanılarak plaka kafesleri oluşturulmuştur. Ancak, bir sandviç yapı oluşturmak için, düz plakaların zikzak kıvrımların sivri uçlarında bu oluklu çekirdeğin üstüne ve altına tutturulması gerekir. Bunun için genellikle güçlü yapıştırıcılara veya kaynak yöntemlerine ihtiyaç duyulur, bu da montajı zaman alıcı, pahalı ve ölçeklendirmesi zor hale getirebilir.
Tipik bir origami kıvrım deseni olan Miura-ori deseni, MIT araştırmacıları tarafından değiştirilerek oluklu yapının keskin noktaları fasetlere dönüştürülmüştür. Plakalar, bir elmastakine benzer düz yüzeyler sağladıkları için cıvata veya perçin kullanılarak fasetlere daha kolay sabitlenebilir.
Parra Rubio, “Plaka kafesler, aynı ağırlığı ve iç yapıyı korurken güç ve sertlik açısından ışın kafeslerden daha iyi performans gösteriyor” diyor. Nano ölçekli üretimde iki foton litografinin kullanılmasıyla, teorik sertlik ve mukavemet için H-S üst sınırına ulaşılabileceği gösterilmiştir. Plaka kafes montajının karmaşıklığı nedeniyle, makro ölçekte herhangi bir araştırma yapılmamıştır. Katlamanın bu tür bir metal plaka yapısının kullanımını kolaylaştırmanın bir yolu olduğuna inanıyoruz.
Ayrıca, araştırmacılar desenin tasarlanma, katlanma ve kesilme şeklini değiştirerek desenin sertliğini, gücünü ve eğilme modülünü ayarlayabilirler. Bu kirigami oluklarını üretmek için, bu veriler ve 3D geometri ile kodladıkları bir katlama haritası kullanıyorlar.
Örneğin, kıvrımların nasıl inşa edildiğine bağlı olarak, bazı hücreler bükülecek şekilde değiştirilebilirken, diğerleri sıkıştırıldığında şekillerini koruyacak şekilde oluşturulabilir. Araştırmacılar bu şekilde yapının çeşitli kısımlarının sıkıştırma sonucunda nasıl deforme olacağını hassas bir şekilde yönetebiliyor.
Yapının esnekliği düzenlenebildiğinden, bu oluklar robotikte veya hareket eden, bükülen ve kıvrılan elemanlara sahip diğer dinamik uygulamalarda kullanılabilir.
Araştırmacılar, robotlar gibi daha büyük nesneler oluşturmak için modüler bir yapı yaklaşımı önerdiler. Son derece hafif ve güçlü küçük kırışık desenlerinden toplu halde 3D yapılar oluşturuyorlar. Daha küçük yapılarda daha az kırışıklık mevcut, bu da üretimi kolaylaştırıyor.
Araştırmacılar, modifiye edilmiş Miura-ori desenini kullanarak kendilerine uygun şekli ve yapısal özellikleri verecek bir kırışık deseni geliştiriyor. Düz bir metal paneli Zund kesme tablası ile çizdikten sonra, üç boyutlu bir şekle katlıyorlar.
“Otomobil ve uçak gibi ürünleri üretmek için takımlara önemli miktarda para harcanıyor. 3D baskının aksine, bu üretim prosedürü herhangi bir alet gerektirmiyor. Gershenfeld, 3D baskıdan farklı olarak bizim yaklaşımımızla rekor malzeme kalitesinin sınırı belirlenebilir, diye açıklıyor.
Bu tekniği, metrekare başına 90 kilogram ağırlığında olan ancak 62 kilonewtondan fazla basınç dayanımına sahip alüminyum yapılar oluşturmak için kullandılar. Standart bir alüminyum oluktan üç kat daha fazla kuvvete dayanıklı yapılara sahiptiler.
Araştırmacılar, modifiye edilmiş Miura-ori desenini kullanarak kendilerine uygun şekli ve yapısal özellikleri verecek bir kırışık deseni geliştiriyor. Düz bir metal paneli Zund kesme tablası ile çizdikten sonra, üç boyutlu bir şekle katlıyorlar.
“Otomobil ve uçak gibi ürünleri üretmek için takımlara önemli miktarda para harcanıyor. 3D baskının aksine, bu üretim prosedürü herhangi bir alet gerektirmiyor. Gershenfeld, 3D baskıdan farklı olarak bizim yaklaşımımızla rekor malzeme kalitesinin sınırı belirlenebilir, diye açıklıyor.
Bu tekniği, metrekare başına 90 kilogram ağırlığında olan ancak 62 kilonewtondan fazla basınç dayanımına sahip alüminyum yapılar oluşturmak için kullandılar. Standart bir alüminyum oluktan üç kat daha fazla kuvvete dayanıklı yapılara sahiptiler.
Karmaşık mimari projeler inşa etme konusundaki uzmanlığıma göre, büyük ölçekli kavisli ve çift kavisli özellikler inşa etmek için mevcut teknikler kaynak yoğun ve savurgan olduğundan projelerin çoğu için uygun değildir. Her ne kadar teknolojileri havacılık ve otomotiv endüstrileri için benzersiz çözümler sunsa da, yazarların hücre tabanlı yaklaşımının yapılı çevre üzerinde büyük bir etkisi olabileceğini düşünüyorum. Farklı plaka kafes tasarımları daha az malzeme kullanılarak uygun niteliklerde üretilebilirse binalar daha etkileyici olabilir ve daha iyi performans gösterebilir. Hafif kafesler hoş geldiniz, masif çelik ve beton binalar elveda.
Bu yöntem Parra Rubio, Mundilova ve diğer MIT yüksek lisans öğrencileri tarafından MIT Media Lab’de sergilenen alüminyum kompozitten yapılmış üç devasa, katlanmış sanat eseri yapmak için de kullanıldı. Her bir sanat eseri metrelerce uzunlukta olmasına rağmen, konstrüksiyonlar birkaç saat içinde yapıldı.
Sonuçta bu yaratıcı eser, makalelerimizde gösterdiğimiz matematik ve mühendislik katkıları olmadan yaratılamazdı. Ancak Parra Rubio şöyle diyor: “Çalışmalarımızın estetik etkisini göz ardı etmek istemiyoruz.
Kaynak: MIT News
