יישום עקרונות עיצוב בהשראת בהנדסת מתכת

במשך מאות שנים, מהנדסים חיפשו את הטבע השראה, ואת שדה ההנדסה המתכתית הוא לא יוצא דופן.עיצוב ביו-דמירי, המכונה לעתים ביו-מיסימירי, כרוך בחקר המבנים, תהליכים ומערכות שנמצאו באורגניזמים ביולוגיים וליישם שיעורים אלה כדי לפתור אתגרים הנדסיים אנושיים.טבע יש מיליוני שנים כדי לבדוק ולחדד פתרונות הנדסיים, וכתוצאה מכך חומרים שהם חזקים להפליא, קלים, מבניים, אנרגיה, וטכניקות פחות מתקדמות של סגסוגת של חומרים ממתכת, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים אלה, אשר דורשות, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים שונים של חומרים מתחומים שונים של חומרים ממתכת, תוך כדי פחות, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים שונים, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים שונים של חומרים מתחומים שונים, תוך כדי פחות, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים שונים של חומרים מתחומים שונים של חומרים מתחומים שונים של חומרים סגסוגת חומרים, תוך כדי סגסוגת של חומרים ממתכת, אשר לעתים קרובות, תוך כדי סגסוגת חומרים ממתכת, תוך כדי סגסוגת של חומרים מתחומים שונים של חומרים שלעתים קרובות פחות סגסוגת חומרים, תוך כדי סגסוגת חומרים, תוך כדי סגסוגת של חומרים, תוך כדי סגסוגת של חומרים, תוך כדי פחות סגסוגת של חומרים, תוך כדי פחות סגסוגת

יסודות עיצוב ביו השראה בהנדסת מתכת

מה זה Biomimicry?

ביומיליריס היא הנוהג של חיקוי של תבניות ואסטרטגיות של החיים של החיים.המונח היה פופולרי על ידי Janine Benyus בספרה 1997:0Biomimicry: חדשנות בהשראת NatureFLT:1 בהנדסה, ביומיסמריה הולכת מעבר פשוט להעתיק צורה; היא כוללת הבנה של עקרונות היסוד שהופכים מבנים טבעיים יעילים, לדוגמה, עכבישים יש יחס דומה של עיצובים של מערכות מתכתיות, מאשר תכונות מכניות של עיצוביות.

למה Metal Engineering יתרונות מהטבע

מתכת הם יסוד לתשתיות מודרניות, תחבורה, וייצור, אבל הם באים עם שפע מסחר טבועות מטבע. כוח מגיע לעתים קרובות עלות משקל, ועמידות עשוי לדרוש ציפויים כבדים או תחזוקה תכופה.טבע פותר בעיות אנלוגיות עם פשרות אלגנטיות.עצם, למשל, הוא מורכב של התנגשות וספקט סידן כי משיג גם נוקשות וגם אורות דרך אנתרופולוגיה, אדריכלות מעגלית, הם יכולים לשלב את המולקולות קשות יותר, אך ורק על ידי מודלים מתכתיים קשים יותר, אך ורק על ידי מודלים קשים יותר, אך ורק על ידי מודלים קשים יותר, אך ורק על ידי מודלים מתכתיים, אך ורק על ידי מודלים קשים יותר, אך ורק על ידי מתכתיים, כי הם מסוגלים לשלב את הסגסוגת מתכתיים, אך ורק על ידי מודלים קשים יותר, אך ורק על ידי מודלים קשים יותר, כי הם מסוגלים לשלב את הסגסוגת מתכתיים.

עקרונות עיצוב משופרים של Core Bioinspired Design Principles Applied to Metals

אופטימיזציה מבנית - שיעורים מעצמות ו Shells

אחת התרגומים הישירים ביותר של ביולוגיה להנדסת מתכת היא אופטימיזציה של מבנה פנימי.עצמות הן ריקות או ⁇ באזורים שבהם הלחץ הוא נמוך, ודחוס שבו עומסים גבוהים.אדריכלות הסתגלות זו מאפשרת חומר מינימלי לשאת כוחות משמעותיים.מהנדסים ליישם לוגיקה דומה באמצעות אופטימיזציה של ריצוף פחמן, שיטה חישובית אשר מונעת חומר ממתכת שבו הוא לא נחוץ.

אפקט לוטוס ועור כריש

פני השטח של חומר לעתים קרובות מכתיבים את עלויות הארוכות והתחזוקה שלה.צמחים ובעלי חיים רבים התפתחו משטחים הדוחקים מים, עפר, או צמיחה ביולוגית.עלון הלוטוס, מפורסם ביכולת ההנעה העצמית שלו, משתמש בליטות מיקרוסקופיות של שעווה שגורמות טיפות מים לחיתוך משטחים זעירים, אשר מונעים מחוספסים מחמצן חשמלי, מונעים ממתכתיים כגון מתכת.

אנרגיה יעילה ומינימום חומרי

הטבע לעתים רחוקות מבזבז אנרגיה.עצים להפיץ את המסה שלהם לתפוס אור השמש בעוד הרוח עם היותו בעל אופי הציפור הם חלולים כדי לחסוך משקל לטיסה. אסטרטגיות אלה ללמד מהנדסי מתכת להשתמש פחות חומר ללא הקרבה של הביצועים.Lattice מבנים בהשראת העצם הטרביטארי, למשל, יכול להחליף מחסומים מתכתיים מוצקים רכיבי השעיה ואסתטיקה.על ידי שימוש בתוסף, חלקים בנויים עם כמות המתכת הנדרשת, גם משקל מתכתי, כולל נוזל מתכתי של נוזל מים, כולל נוזל מים גמישים.

מנגנונים עצמיים והתאמה

רקמות ביולוגיות יכולות לתקן את עצמן לאחר פציעה, נכס שהמהנדסים מטביעים כעת לתוך מתכות. ציפויי מתכת עצמיים משתנים, למשל, משלבים מיקרו-capsules מלאים סוכן ריפוי.כאשר שריטה או טפסים סדק, הקפסולות מתפתלות ומשחררות את הסוכן, אשר מגיבה באופן פעיל עם הסביבה או עם זרזים מוטבעים כדי להטמיע את הנזק.

יישומים אמיתיים ברחבי תעשיות

מבנה קל משקל (Lattice Structures)

משקל הוא האויב של טיסה, כך מהנדסי חלל כבר לאמץ מוקדם של עיצובי מתכת בהשראת ביו-inspireed. המבנים ה- lattice שהוזכרו קודם לכן משמשים כעת להבים טורבינות, סדקים מנועים, וצלעות כנף. על ידי חיקוי המבנה התאי של ביטול העצם מיקרוסקופית, חברות מייצרות טיטניום ניקל-כל מרכיבים קלים יותר מ -30- 50% שלהם באופן מסורתי, אך לעתים קרובות מקבל השראה של תאים אלה.

כלי רכב - Crashworthness and Weight Reduction

בתעשיית הרכב, עיצוב ביושר משמש לשיפור הבטיחות והיעילות. Crash Rails ו אזורי crumple מעוצבים מחדש עם מבנים היררכיים לקטיגים אשר סופגים אנרגיה בהדרגה, בדיוק כמו המבנה השכבתי של קליפת קוקוס מונעים עצמות כוח עצם להישאר מחוספסים.

בנייה - Resilient Building Materials

מגזר הבנייה הוא לחקור מתכות בהשראת ביו השראה עבור יישומים מבניים ו cladding. פלדה beams ועמודות נועדו עם לוחות צלב משתנים כי לעקוב אחר המסלולים הלחץ העיקרי, הרבה כמו הצורה של תא עץ. גישה זו, מופעלת על ידי עיצוב חישובי לוחות רובוטיים פחות, להפחית את השימוש הכולל פלדה על ידי 20-30% תוך שמירה על יכולת רבת רוח.

המונחים: Anti-Fouling and Corrosion Resistance

סביבות הנחתים הן בין האגרסיביות ביותר עבור מתכות, עם מים מלוחים מאיצים את קורוזיה ואת ההסתה הביולוגית של הוספת גרור ומשקל. Bioinspired פתרונות הם בעיקר השפעה כאן. אלומיניום מחוספסים ופלדה אל-חלד נבדקים על גבי כריות מים, מעכבי דלק, וחזה ים מסורתיים המבוססים על נחושת, אשר משחררים כימיקלים רעילים, בנוסף לציפוי חום אלה, יכולים להפחית את ציפויים על ידי ציפויים של דלקים על ידי כימיקלים עמידים.

מחקרים ב Bioinspired Metal Engineering

כריש עור מתהפך לאנטי-פלינג

אחד משטחים הביו-מעוריים המלומדים ביותר הוא השכפול של צניפים כרישים.חוקרים במוסדות כמו אוניברסיטת פלורידה והמכון Fraunhofer פיתחו שיטות ייצור מדרגיות כדי להטמיע מיקרו-גיאומטריה בעור כרישים על גלילי מתכת או סדינים.דוגמה בולטת היא פני השטח "Sharklet" שפותחה במקור עבור מכשירים רפואיים, אשר מותאמים ליישומים ימיים על גבי שדה על גבי ספינת מתכת אחת, כמעט ללא פגע, כמעט כל שנה, בעוד שעדיין לא היו תלויים במגורים של כדוריות של כדוריות מתכתי מתכת.

מבנה Foam בהשראת

קצף מתכתי - חומרים עם מבנה פנימי ⁇ - הם בהשראת ישירות על ידי אדריכלות טרבקי של העצם האנושית. קצף מתכת מוקדם נעשו לעתים קרובות על ידי הזרקת גז למתכת מלוטש או על ידי אבקת מתכת חולשות עם סוכני חסימה שטח, אבל ייצור מודרני מאפשר שליטה קפדנית על גודל פופר, צורה, הפצה, מה שמאפשר לחקות ⁇ העצם עם מנועים של כל אלה מופעלת באופן הדוק יותר מאשר לחץ מגנטית (אום).

לוטוס עלה על מתכת עצמית בהשראת

משטחי מתכת סופר-רפויים עברו מהמעבדה למוצרים מסחריים.דוגמה בולטת היא מחזורי "אפקט לוטוס" שפותחה על ידי החברה סט בשיתוף עם אוניברסיטת בון, לאחר מכן מותאם למתכות על ידי חוקרים באוניברסיטת קיימברידג '.שימוש בלייזר לייזר כדי ליצור חיידקי מיקרו-מזרחיים וננו-מבני על המתכת, פני השטח מטופלים הופכים להיות מאוד מים עמידים על ידי טכנולוגיה זו שימשה כדי למנוע היווצרות של כדורי מתכת נוזלית ברזל לטווח ארוך.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

מתכת חכמה וחכם Alloys

הגבול הבא הוא מתכות שיכולות להגיב באופן פעיל לסביבה שלהם.צורות זיכרון כמו Nitinol כבר בשימוש, אבל החוקרים מפתחים יצירות חדשות שיכולות לשנות צורה בטמפרטורות מרובות או המשלבות חישה ופעולה.לדוגמה, צוות ב-MIT יצר "מתכת מחרוזת" שיכולה לעבור בין מצבים נוקשים ומתכוונים, בהשראת האופן שבו מלפפונים ים משנים את הגמישות של כלי רכב גמישים, כמו גם חומרים מטבוליים, אשר עלולים, כאשר הם יכולים להיות מופעלים, כמו גם חומרים ממתכתיים, כמו גם כן, כאשר הם יכולים להיות מופעלים, כמו גם כן, כמו גם חומרים ממתכתיים, כאשר הם יכולים להיות מופעלים, כאשר הם יכולים להיות מופעלים, כמו גם כן, כמו גם חומרים גמישים, כמו גם על ידי ניקוי מתכתיים, כאשר הם יכולים להיות מופעלים, 000.

Bioinspired תהליכי ייצור

הטבע אינו רק מעורר השראה עיצובים; הוא גם מעורר השראה שיטות ייצור. תהליכי צמיחה ביולוגיים, כגון הדרך שבה mollusk בונה שכבת הפגז שלה על ידי שכבת טמפרטורה מחממת, הם ממחישים בגלימת מתכת. אלקטרודהפוזיציה ופירוק כימי יכול לבנות סרטי מתכת עם מיקרו-מבנה מבוקר, בדומה למינרליזציה בטבע.

אחריות וכלכלה מעגלית

עיצוב מוטיב באופן טבעי תואם עם קיימות.טבע פועל על אור השמש, משתמש רק את האנרגיה שהוא צריך, ומחזר את כל החומרים. בהנדסת מתכת, זה מתורגם עיצוב רכיבים המשמשים פחות חומר (באמצעות אופטימיזציה טופולוגית), זמן ארוך יותר (באמצעות קידוד עצמי ואנטי-corrosion משטחים), ויכול להיות מופרד בקלות ומחזר בסוף החיים.

מסקנה

3.8 מיליארד שנות מחקר ופיתוח בטבע מציעים ספרייה שאין דומה של פתרונות לבעיות הנדסיות.בהנדסת מתכת, עקרונות עיצוביים מעוררי השראה מובילים לפריצות דרך אמיתיות: מבנים קלים וחזקים יותר ממהנדסים דמויי עצמות, משטחים שעדיין נקיים ומנגדים ללא חומרים כימיים, וציפויים שיכולים לתקן את עצמם כאשר הם פגומים.

(ב) ויקרא ואמפ (ב)

  • (FLT:0) Ask Nature - Biomimicry InstituteveFLT:1) - מסד נתונים מקיף של אסטרטגיות ביולוגיות ויישומים הנדסיים שלהם.
  • (ב) [ה]העיקרון]: [המדע] – ביומיממתי ב- Materials ScienceBuilder's: [ה] מאמרים על גישות ביו-מרמטיות במתחים ובקרמיקה.
  • (ב) חומרים טבעיים (FLT:0) מבקרים בחומרים - ביושר השראה חומרים סטריקטליים 1:1 - סקירה של עיצוב היררכי, כולל תרכובות נוקרות ועצמות.
  • (FLT:0) Proitive Manufacturing MagazineFLT:1 - מקרי מקרה על מבנים מתכתיים מודפסים 3D במבנים בחלל וברכב.