Балки из фрактальных структур, созданных с помощью 3D-печати, в 10000 раз прочнее стали

Автор: Елена
06.12.2012, 12:26

Как известно, большинство зданий имеет каркас, состоящий из балок и колонн. В основном балки и колонны изготавливаются из стали, и хотя этот материал отличается высокими показателями по прочности, в каждом конкретном случае необходимо выполнять расчет конструкций здания. Но недавно исследователь Йонг Мао и его коллеги из университета Ноттингема предложили новый метод изготовления строительных балок – с помощью так называемых фрактальных структур, построенных по технологии 3D-печати.

Как говорят ученые, новые балки, созданные с использованием 3D-печати, и легче, и в 10000 раз прочнее, чем обычные стальные балки. Но главным их преимуществом является возможность «настраивать» жесткость балки для каждой конкретной конструкции, что позволит сократить отходы и производственные затраты. Хотя сам процесс изготовления фрактальных структур для балки, разработанный Йонгом Мао, достаточно сложен и состоит из нескольких повторяющихся этапов.

На самом деле, фрактальная структура – структура, состоящая из нескольких одинаковых фрагментов-шаблонов, – не является изобретением человечества, фрактальные модели повсеместно наблюдаются и в природе (например, лист папоротника, снежинки, кровеносные сосуды или цветная капуста). Имитируя природные механизмы создания фрактальных структур, Мао разработал теоретические основы для строительных конструкций, в которых иерархический порядок структуры зависит от степени и видов нагрузки и воздействий.

Используя эти основы, ученые построили на 3D-принтере с помощью «техники быстрого макетирования» фрактальную структуру, которая представляет собой простую полую раму из полимерной смолы. Затем они проанализировали нагрузочный эффект полученной модели и с помощью сложного алгоритма спроектировали новую модель, в которой учтены «слабые точки» предыдущей конструкции. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет произведена точная «настройка» структуры под определенные нагрузки.

Однако, и у этой технологии производства строительных балок есть свои минусы. Один из них – структурные дефекты в материале могут вызвать серьезные проблемы. По словам Мао, даже небольшой дефект может иметь большое влияние на прочность всей конструкции, поскольку нет дополнительных материалов, которые могли бы взять на себя дополнительную нагрузку. Поэтому главной целью дальнейшей работы ученых является повышение устойчивости фрактальных моделей к таким дефектам. Мао считает, что в течение уже следующего года они смогут предоставить необходимые инструменты для этого.