Annonse
bygg
3D-printing gjør 130 år gammel teori mulig: Dette kan bli fremtidens byggeklosser
3D-printere viser at teorien kan fornye hvordan vi bygger ting.
På 1880-tallet utviklet den tyske matematikeren Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) teorien om en spesiell type geometriske figurer som senere skulle bli kalt schwarzites (la oss kalle dem schwarzitter på norsk).
Slike strukturer kan brukes til å lage sterke, fleksible og lette konstruksjoner ved hjelp av minst mulig materiale. Problemet er bare at den er veldig vanskelig å produsere.
Nå har forskere ved Rice University i Houston i Texas i USA skrevet ut figurene ved hjelp av 3D-printere. De har også undersøkt egenskapene til figurene, og beskrevet funnene i rapporten «Multiscale Geometric Design Principles Applied to 3D Printed Schwarzites», publisert i Advanced Materials.
På nanonivå kan figurene brukes til å produsere elektriske komponenter, katalysatorer og batterikomponenter, ifølge forskerne.
– På makronivå kan de fungere som lastbærende, motstandsdyktige komponenter i bygg, biler og fly. Én dag kan det være mulig å skrive ut en hel bygning som én schwarzitt-murstein, sier Chandra Sekhar Tiwary, postdoktor ved Rice University i Houston i Texas i USA, til universitetets nettsider.
- Dette sier forskningen: De har gjennomgått alle studier om den nye kontortrenden (krever abo.)
Minimale periodiske flater
Strukturene bygger på Schwarz’ teori om minimale periodiske flater. Konstruksjoner bygget på denne teorien har overflater med minst mulig areal, gitt visse randbetingelser. Mindre overflateareal betyr at man trenger mindre materiale for å oppta et gitt volum. Denne Vimeo-filmen forklarer konseptet på en enkel måte.
Annonse
Et eksempel på en minimal flate er såpefilmen når vi lager en såpeboble, forteller professor Sigbjørn Hervik ved Institutt for matematikk og naturvitenskap på Universitetet i Stavanger (UiS). En såpefilm vil alltid prøve å være så liten som den kan, den vil streve for å ha minst mulig areal.
– Du sparer energi ved at du kan bruke minst mulig materiale for å fylle gitte betingelser, forteller Hervik.
I Schwarz’ periodiske minimale flater er betingelsen at hele formen skal være periodisk med periodiske randbetingelser, forteller Hervik. Den samme formen skal med andre ord kunne monteres side om side som celler for å settes sammen til større, stabile strukturer. Dette gjør formene attraktive til bygging.
Nødvendig med 3D-printer
Schwarz foreslo flere strukturer, blant annet kubeformen vist på bildet. Problemet er altså å produsere strukturene.
– Disse strukturene ble teoretisert for mer enn 100 år siden, men det var ikke mulig å lage dem uten 3D-printeren, sier Peter Owuor, avgangselev ved Rice University, til universitetets nettsider.
Owuor får støtte fra norske eksperter.
Annonse
– Du kan jo tenke deg å frese ut noe sånt – det er helt umulig. Industrialiseringen av additiv tilvirkning (3D-printing) er bakgrunnen for at man kan produsere slike strukturer, sier Vegard Brøtan, forsker på produksjonsteknologi ved Sintef.
Bryter sammen lag for lag
Sammen med kolleger fra University of Campinas i Sao Paulo i Brasil simulerte forskerne schwarzittenes oppbygning ved hjelp av molekyldynamikk. Dette genererte dataalgoritmer som ble brukt til å modellere schwarzittene og skrive dem ut i polymer.
Forskerne gjorde så støt- og kompresjonstester.
– Teorien sier at schwarzitter kan være svært sterke på atomnivå. Det viser seg at konstruksjonene også får en høy bæreevne når de bygges i større versjoner av polymer, sier postdoktor Tiwary.
Ved deformering ødelegges strukturen sakte, lag for lag. Kreftene fordeles utover hele konstruksjonen, uansett hvor man presser.
– Det er viktig å undersøke hvordan en konstruksjon ødelegges. Du vil at den skal ødelegges sakte. Dersom noe faller på konstruksjonen, kollapser den sakte og beskytter det som er på innsiden, sier Tiwary.
- 3D-printer hus av skum: Denne roboten kan bygge et hus på timer
Annonse
3D-printing sparer materialer og endrer oppførsel
Brøtan ved Sintef understreker at slike strukturers egenskaper vil variere avhengig av hva slags materiale som brukes.
– Schwarzitter er en undergruppe lattice strukturer, altså gitter- eller krystallstrukturer. Med schwarzitter får man kontinuerlig runde former som stiver av konstruksjonen, sier Brøtan.
Han har forsket på hvordan 3D-printing av ulike former for krystallstrukturer kan forbedre dagens produksjon.
– Det er veldig store forskjeller i blant annet styrke, stivhet, fleksibilitet og masse. Man deler gjerne opp i to kategorier: Strekk-dominerte former har god stivhet i forhold til vekt. I de bøynings-dominerte formene får du en mindre sterk struktur som innehar mer fleksibilitet, sier Brøtan.
– Ved å bruke de riktige strukturene kan man spare materialer, samtidig som produktet får de egenskapene man ønsker seg, supplerer Brøtan.
Aktuelt i flere industrier
Her handler det altså om å undersøke konstruksjonenes topologiske egenskaper.
Annonse
Man trenger med andre ikke bytte byggemateriale for å endre konstruksjonens egenskaper – man kan endre dem ved topologioptimalisering.
– Topologioptimalisering handler om å ha materiale der hvor kreftene presser på konstruksjonen, og fjerne materiale der det ikke trengs fordi kreftene ikke spiller inn. Slike konstruksjoner er mulig å skrive ut med en 3D-printer, sier Brøtan.
Denne type produksjon er aktuell innen flere industriområder. Et av disse områdene er flyindustrien, hvor kombinasjonen av de rette egenskapene og lavest mulig vekt kan spare store summer i drivstoffutgifter, forteller Brøtan.
Skeptisk til schwarzitt-bygg
De amerikanske forskerne vil nå skrive ut schwarzitter i høyere oppløsning og med mindre polymer for å gjøre konstruksjonen lettere. Etter hvert ønsker de også å ta i bruk andre materialer, blant annet keramikk og metall, for å skrive ut større schwarzitt-konstruksjoner.
Brøtan er smått skeptisk til forskernes ambisjoner om å skrive ut en hel bygning ved hjelp av én schwarzitt-murstein.
– Produksjonen må nok utvikles ytterligere før den tid. Når vi snakker om så enorme ting, er det litt utenfor bruksområdet til 3D-printing akkurat nå. Det er heller ikke veldig enkelt å produsere slike strukturer i betong. Derfor tror jeg metoden er mer relevant for mindre deler av bygg, sier Brøtan.
Annonse
Her kan du se en video om prosjektet:
