5 exemple de bionică în construcții ușoare

Hârtia este ușoară - dar și instabilă. Structura cu fagure asigură o mai mare stabilitate în cuibul de viespe. (Sursa: Pixabay)

Ce poate contribui de fapt bionica la construcția ușoară? Să ne uităm la câteva exemple de produse de construcție ușoare bionice. Din aceasta putem învăța cum au fost abordate din perspectiva bionică provocările de a dezvolta produse stabile mecanic, cu greutate redusă a componentelor. Vom vedea ce analogii funcționale au condus în cele din urmă la optimizarea greutății. Sau care metode bionice au fost încununate cu succes în dezvoltarea produsului. Am găsit exemplele la Ministerul Mediului din Baden-Württemberg, Centrul VDI pentru eficiența resurselor și Biokon.

Deasupra: hârtia este ușoară - dar și instabilă. Structura fagure de miere asigură o mai mare stabilitate în cuibul de viespe - un principiu bionic care poate fi găsit în multe produse de construcții ușoare. (Sursa: Pixabay)

1. Boxfish în dezvoltarea auto

Mașina Bionic de la Daimler din 2005 este rezultatul unui studiu în ce măsură bionica poate fi utilizată în dezvoltarea automobilelor. Într-un așa-numit proces de sus în jos, a fost, prin urmare, despre modul în care modelele/funcțiile naturale pot fi implementate în tehnologie pentru a atinge obiectivul de optimizare - în acest caz, o mașină eficientă din punct de vedere al resurselor, cu un coeficient de rezistență redus. Bionicii au găsit ceea ce căutau în peștele box: se deplasează prin habitatul său cu o cheltuială de energie redusă, este agil și corpul său poate rezista la presiunea apei până la o adâncime de 35 m: simplificat, agil, stabil. Proprietăți parcă făcute pentru un automobil.

Învelișul boxfish este deosebit de interesant pentru construcția ușoară. Are aproape nici o greutate, un volum mic și este foarte stabil. Metoda SKO dezvoltată de prof. Mattheck la Centrul de Cercetare Karlsruhe a fost utilizată astfel încât caroseria vehiculului să fie atât rigidă, cât și ușoară. Corpul a fost optimizat pe baza modelului osului. Cu ajutorul procesului CAO - o optimizare bionică modelată pe legile de creștere a copacilor (stres de crestătură) - vârfurile de stres ale propunerii de proiectare au fost eliminate din procesul SKO. Greutatea corpului ar putea fi redusă cu aproximativ o treime.

Studiul și dezvoltarea vehiculului au fost descrise într-un film de Daimler (de la min. 1:45 încoace, este vorba despre construcții ușoare) și nenumărate publicații, chiar și pe Wikipedia. Și chiar dacă mașina bionică era cu mult înaintea timpului său la acel moment, se poate presupune că unele dintre concluziile acestui studiu au fost încorporate în modelele existente ale producătorului de automobile.

2. Capacul osos de la Freiburg

Arhitectura bionică folosește principiile naturii - inclusiv construcția ușoară. Acest lucru creează noi forme care sunt văzute ca o oportunitate pentru o clădire prietenoasă cu oamenii și ecologică. Și totuși sunt cunoscuți de mult - da, au devenit simboluri. Vorbim despre Turnul Eiffel din Paris, a cărui construcție asemănătoare coastei este o implementare a rezultatelor cercetărilor biologice de bază asupra structurii osoase. Unul dintre exemplele mai puțin cunoscute de bionică.

Inginerii civili și arhitecții lucrează cu așa-numitele „experimente stres-optice” și cu ajutorul simulărilor pe computer. Modelele sunt expuse la sarcini puternice de tracțiune și compresiune. Tensiunea mecanică deformează materialul și îi influențează proprietățile.

Un alt exemplu în acest sens este plafonul sălii de zoologie de la Universitatea din Freiburg, care a fost construit conform acestui principiu la sfârșitul anilor 1960.

Construcția tavanului cu nervuri izostatice este inspirată de structura internă a oaselor animalelor. Tavanul din beton armat al clădirii sălii de curs este alcătuit din multe nervuri, care, la fel ca trabeculele, se desfășoară doar de-a lungul liniilor pe care acționează forțele de compresie și de întindere. Astfel, este o clădire bionică, deoarece arhitectul a transferat cunoștințele din cercetarea biologică într-o aplicație tehnică. Fluxul de idei din biologie în tehnologie este un proces de jos în sus.

La fel de durabil pe atunci ca și astăzi

În 2014, cercetătorii de la Freiburg au examinat membrii Biokon, prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Olga Speck și Florian Antony de la Grupul de Biomecanică a Plantelor de la Universitatea din Freiburg împreună cu Prof. Dr. Rainer Grießhammer de la Freiburg Öko-Institut a examinat durabilitatea plafonului rotundei în comparație cu structurile ușoare utilizate astăzi pentru construirea tavanelor. Rezultatul lor: construcția plafonului sălii de curs de atunci poate ține pasul cu stadiul actual al artei. Echipa și-a publicat rezultatele în revista „Bioinspiration & Biomimetics”.

3. Tulpina tehnică a plantelor

Biologii de la Universitatea din Freiburg și inginerii de la Institute for Textile and Process Engineering Denkendorf au combinat diferite principii de construcție ale naturii într-un nou produs tehnic: „tulpina uzinei tehnice”. Modelele pentru procesul de jos în sus au fost tulpini precum bambus sau tulpini tubulare, care din punct de vedere mecanic sunt construcții naturale ușoare. Un compromis între ușurință și stabilitate.

Tulpina tehnică a instalației pentru care este în curs de brevetare este un material compozit din fibre bionice care, în ciuda greutății sale reduse, are un nivel ridicat de stabilitate la îndoire și îndoire. De asemenea, poate amortiza bine vibrațiile. Cablurile sau liniile lichide pot fi așezate în canalul central central sau în cele douăsprezece canale funcționale. Acest semifabricat ușor bionic ar putea fi utilizat atât în industria aerospațială, cât și în construcția de automobile sau în domeniul sportului și al timpului liber.

4. Ce ne învață țestoasele și albinele despre construcția ușoară

Structurile hexagonale, cum ar fi cele găsite în fagure de miere sau ca structură de boltă pe coaja broaștei țestoase, au multe avantaje: sunt stabile, cu o utilizare redusă a materialului (greutate!) Și utilizează optim spațiul disponibil. Materiale cu pereți subțiri, cum ar fi metalul, materialele plastice, cartonul și hârtia formează ceea ce este cunoscut sub numele de structură de boltă hexagonală sau octogonală într-un cilindru sub presiune.

Principiul efectului de auto-rigidizare a structurilor boltite pe un cilindru subțire a fost descoperit la mijlocul anilor 1970 de către prof. Dr. Frank Mirtsch.

Pe baza acestui model, foile și foliile flexibile și stabile din punct de vedere dimensional pot fi produse pentru multe aplicații și din diferite materiale. În funcție de produs, sunt posibile economii semnificative de materiale de 30% și mai mult în construcția ușoară. Cu structurarea seifului, instrumentele și pașii de proces pot fi chiar salvați în comparație cu procesele de ștanțare sau ștanțare. Un punct important pentru eficiența resurselor.

Un produs ușor bazat pe acest model bionic este, de exemplu, convertorul catalitic ușor Emitec - o carcasă a convertorului catalitic pentru motociclete (a se vedea ilustrația). Construcția 3D a acoperișului sălii de sport din Odessa este, de asemenea, proiectată și construită conform acestui exemplu. Multe alte exemple - nu numai în construcții ușoare - sunt de partea companiei Dr. Mirtsch GmbH de găsit.

5. Matrițele de nămol ca exemplu de bionică în construcția ușoară

Mucegaiurile de nămol cresc dintr-un punct central în direcția nutrienților accesibili și astfel se răspândesc ca o rețea. Nodurile acestei împletituri sunt conectate între ele cu un număr minim de fire de nămol. Acest proces de creștere biologică a dus la un algoritm care permite o construcție ușoară stabilă prin conexiuni structurate ierarhic, crescute natural.

Acest model bionic și-a găsit analogia funcțională tehnică în construcția aeronavelor: procesul de biocomputație dezvoltat oferă un număr mare de propuneri de proiectare care pot fi evaluate și dezvoltate în continuare. Acest exemplu este despre peretele despărțitor al cabinei din Airbus A320, care este cât mai ușor și mai eficient din punct de vedere material. Pentru a face partiția și mai ușoară, materialul a fost, de asemenea, construit în cadrul suporturilor individuale, analog cu creșterea osoasă. Partiția este realizată prin imprimare 3D, materialul utilizat este o pulbere de aluminiu de înaltă performanță (Scalmalloy), care poate fi procesată prin Additive Layer Manufacturing (ALM).

Cu aceeași rezistență, greutatea partiției a fost redusă cu aproape jumătate (45%) prin combinarea a două modele bionice. Mai multe detalii despre proiect pot fi găsite în povestea de referință Autodesk.

Aceste cinci exemple de bionică în construcția ușoară arată cât de diferite sunt abordările soluției pentru construcția ușoară bionică. Și arată că bionica pentru construcții ușoare găzduiește un bazin aproape inepuizabil de idei care ar trebui utilizate în lucrări ulterioare.

Vi se pare interesant subiectul bionicii și al construcției ușoare? Faceți clic aici pentru seria de articole Construcția ușoară întâlnește ... bionica

Autor: Christine Koblmiller, Editor, fondator, jurnalist specialist cu pasiune