Uus tehnika iseehituslike struktuuride väljatrükkimiseks, voltimiseks ja kasutuselevõtmiseks võib ühel päeval muuta kirurgide jaoks palju lihtsamaks arteri stentide paigutamise või astronautide jaoks uute kergete kosmoseelupaikade paigaldamise.
Seotud sisu
- Buckminster Fuller oli ideedest hea, autokujundusest kohutav
- Uus-Meremaa saatis 3D-prinditud raketi kosmosesse
Kavandid tuginevad arhitektuurikontseptsioonile, mida nimetatakse "tensegrity" - termin, mille 1960. aastatel lõi Buckminster Fuller (kes patenteeris ka esimesed tensegrity kujundid 1962. aastal). Pingutuskindlus ehk "pinge terviklikkus" hoiavad end vormis, kasutades jäigaid tugiposte, mis on kinnitatud omavahel ühendatud kõrgepingekaablitega. Austraalia Brisbane'is asuv Kurilpa sild ja Tšiili Metropolitan Parki mäe Santiagosse ehitatav uus raadioantennitorn on kaks tüüpilist näidet pingeseisundi struktuuridest.
Kuigi nad on väga tugevad, on nad rasked, kuna need on valmistatud metallist tugipostide ja kaablitega. Georgia Tehnika insenerid Glaucio Paulino ja Jerry Qi soovisid rakendada samu pingeeeliseid objektidele, mida saaks kasutada rohkemate sildade ja antennide jaoks, näiteks kosmoseelupaikade või südamestentide jaoks.
Paulino ja Qi töötasid välja disainilahenduste 3D-prinditavate, kergete ja kokkupandavate versioonide loomise meetodi, mille torud on valmistatud plastikujulisest materjalist, mida nimetatakse kuju mälupolümeeriks ja mis on ühendatud trükitud elastsete kõõlustega.
Torude kuumutamisel programmeeritakse tugipostide materjal avatud konfiguratsiooni "meelde". Seejärel saab selle lamedamaks ja kokku keerata ning kui kogu konstruktsioon kuumuse käes uuesti puutub kokku, siis pakib kogu pakend aeglaselt lõplikku, avatud konfiguratsiooni - mootorid puuduvad.
Paulino ja Qi leidsid ka, et nende disainilahenduste eri osade erinevatel temperatuuridel lahtikäivuse programmeerimisel võivad nende kujundused etapiviisiliselt lahti pakkida, et vältida kaablite takerdumist.
Kuna kogu kujunduse saab jagada pakendiks, mis on sisuliselt täielikult kokku pandud, võtab see palju vähem ruumi kui tavalised pingelised kujundused.
"Kui võrrelda pingelisi disainilahendusi mis tahes muud tüüpi konstruktsioonidega, on need eriti kerged ja väga tugevad, " ütleb Paulino. "Selle süsteemi ilu seisneb selles, et on olemas täiendav vabadusaste, mis võimaldab kalduvusel deformeeruda, kuju muuta, kuju dramaatiliselt muuta ja toetada igat tüüpi koormamist ükskõik millises suunas."
Paulino ja Qi laboratooriumimudelid on lapse lauamänguasja suurused, küljelt neli kuni viis tolli ja näevad välja mitte midagi nii palju kui hästi organiseeritud pulgake, mida hoiab pingul õngenöör kinni. Täielikult voltimisel on tugipostid kõvad ja jäigad, elastsed kaablid aga pehmemad ja paindlikumad. Kujundustel, kui need on täielikult kokkupandud, on neid natuke - kui neid pigistada, siis kuju deformeerub. Kuid need libisevad kohe tagasi vormi.
Meeskond kasutas kuumaveevanne, et näidata, kuidas kõrgel temperatuuril pakkimisprotsess töötab, kuid triki teeks isegi selline tööriist nagu soojuspüstol või föön. See peab lihtsalt olema järjepidev - mis praeguses arenguetapis võib olla problemaatiline, väidab Paulino. Vibratsiooni juhtimine on olnud väljakutse ka muud tüüpi pingeliste konstruktsioonide puhul.
Paulino ja Qi otsustasid laborikatsete tegemise hõlbustamiseks kasutada lihtsaid disainilahendusi, kuid Paulino sõnul pole disainilahendusel seda, mida saaks teha.
Nende idee on, et polümeeride pingelisi struktuure saab suurendada ja muuta palju keerukamaks, näiteks kosmosestruktuuride jaoks, või allapoole, selle suuruse järgi, mis mahuks inimkehasse. Kujutage ette stendi, mille võiks sisestada arterisse, ütleb Paulino, kes ise positsioonilt sisse võtab. Või kui kosmosega seotud konstruktsioonid peaksid olema valmistatud sarnase kujuga mälupolümeeridest, siis kaaluksid need ka palju vähem kui samasugused metallist konstruktsioonid, võimaldades odavamalt käivitada kokkupandud raame, mida saaks kasutada laborites või eluruumides ruumi.
Need on siiani vaid kontseptsioonid, ehkki ta lisas, et tal on olnud meditsiinikaaslastelt teatavat huvi ja NASA on juba uurinud tuleviku kosmosemissioonide lähenemisviisi pingeseisundit.
Robert Skelton, kes on aastakümneid Texase A&M ülikoolis uurinud ookeani- ja kosmoserakenduste pingejõudu, ütleb, et Paulino ja Qi tööd on tõhusamad kui muud tüüpi pingelised kujundused.
"Paulino ja Qi töö kena eelis on väike tugevus, mis on vajalik [tugede] tugevdamiseks, " kirjutas Skelton e-posti teel. Skelton lisas, et metallist mõõdulindi väljatõmbamisel kehtib ka sarnane põhimõte: see on eelpingestatud, et välja tõmmatud peab olema veidi kõverdatud, kuid rullimisel tasane. Eelpingestatud konstruktsioonielemendid on olnud oluliseks lähenemiseks kosmose ehitamisel, näiteks Hubble'i kosmoseteleskoobis, mille päikesesüsteemid paigutati selliste eelpingestatud metallribadega, mis on pärast täielikku avamist jäigad.
"[Kuju-mälu pingestruktuuride] mõju on sama lai ja paljude rakendustega nii maa peal kui ka kosmoses, " lisas Skelton.
Järgmine asi, mille Paulino sõnul tema ja Qi lahendab, on nende kontseptsiooni ulatuse suurendamine - üles ja alla. Ja kuna vaja on vaid 3D-printerit ja õiget materjali, saaks seda teha kõikjalt, kui tehnika on täiustatud.
“Selle tasemeni jõudmine võttis natuke aega, kuid on tunne, et meil on hea algus järgmisteks sammudeks, ” sõnab Paulino. „Oleme sellest väga vaimustatud. Kindlasti ei tea me kõike, mis veel vaja on, kuid oleme kindlad, et meil on võime selle idee osas hästi edasi liikuda. ”
