Estruturas metálicas ficam fortes como metal e leves como cortiça

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/08/2023

É uma nova categoria de estrutura metálica, superior às atuais estruturas em treliças feitas de barras ou tubos metálicos.
[Imagem: Alfonso Parra Rubio et al. (2023)]

Sólidos celulares

A natureza está repleta dos chamados "sólidos celulares", materiais compostos de muitas células agrupadas, o que lhes permite serem leves, mas rígidos e fortes.

É o caso de um favo de mel ou dos nossos ossos, por exemplo: A forma dessas células determina em grande parte as propriedades mecânicas do material, incluindo a sua rigidez ou resistência.

Inspirando-se nessas estruturas, engenheiros criaram agora uma nova estrutura que, apesar de ser inteiramente feita de metal, herdando sua força e resistência, é tão leve quanto a cortiça.

"Este material é como uma cortiça de aço. É mais leve que a cortiça, mas com alta resistência e rigidez," disse o professor Neil Gershenfeld, do MIT, cuja equipe vem trabalhando com materiais artificiais visando o conceito de "máquinas que constroem máquinas".

A criação do material biomimético exigiu o desenvolvimento de um processo de construção modular no qual muitos componentes menores são formados, dobrados e montados em formas 3D. Usando esse método, copiado da técnica japonesa do kirigami, a equipe fabricou estruturas e robôs ultraleves e ultrafortes que, sob uma carga específica, podem se contorcer sem se deformar de modo permanente.

Como essas estruturas são leves, mas fortes, resistentes e relativamente fáceis de produzir em massa em escalas maiores, elas podem ser especialmente úteis em componentes para arquitetura, construção civil, aviões, veículos e aplicações aeroespaciais.

O processo de fabricação é mais simples do que as técnicas atuais.
[Imagem: Alfonso Parra Rubio et al. (2023)]

Redes de placas

Estas novas estruturas metálicas pertencem a um tipo de material engenheirado de alto desempenho conhecido como rede de placas, que até agora só havia sido demonstrado em dimensões muito menores por meio da fabricação aditiva, ou impressão 3D - somente em microescala.

A nova técnica é mais versátil porque permite criar essas estruturas a partir de qualquer metal, liga metálica ou outros materiais, gerando formas personalizadas e propriedades mecânicas especificamente ajustadas para a aplicação.

Materiais arquitetados, como as treliças, são frequentemente usados como núcleos para um tipo de material compósito conhecido como estrutura sanduíche. Para visualizar uma estrutura em sanduíche, pense em uma asa de avião, onde uma série de vigas diagonais que se cruzam formam um núcleo de treliça que fica entre os painéis superior e inferior. Essa treliça tem alta rigidez e resistência, mas é muito leve.

A diferença das redes de placas é que são estruturas celulares feitas de interseções tridimensionais de placas, em vez de vigas (barras sólidas ou ocas). Essas estruturas de alto desempenho são ainda mais fortes e rígidas do que armações treliçadas, mas sua forma complexa as torna difíceis de fabricar usando técnicas comuns, como impressão 3D, especialmente para aplicações de engenharia em larga escala.

As aplicações de engenharia são praticamente ilimitadas.
[Imagem: Alfonso Parra Rubio et al. (2023)]

Superando as treliças metálicas

Foi aí que entraram as técnicas japonesas de dobradura (origami) e recorte (kirigami).

O kirigami tem sido usado para produzir treliças de placas a partir de vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. Mas, para fazer uma estrutura de sanduíche, é preciso prender placas planas na parte superior e inferior desse núcleo corrugado nos pontos estreitos formados pelos vincos em zigue-zague. Isso geralmente requer adesivos fortes ou técnicas de soldagem que podem tornar a montagem lenta, cara e difícil de dimensionar.

O pesquisador Alfonso Rubio teve então a ideia de modificar um padrão comum de vinco de origami, conhecido como padrão Miura-ori, de modo que as pontas afiadas da estrutura ondulada são transformadas em facetas. As facetas, como as de um diamante, fornecem superfícies planas nas quais as placas podem ser fixadas mais facilmente, com parafusos ou rebites.

"As treliças de placas superam as treliças de vigas em resistência e rigidez, mantendo o mesmo peso e estrutura interna," disse Rubio. "Alcançar o limite superior H-S para rigidez e resistência teóricas já foi demonstrado por meio da produção em nanoescala usando litografia de dois fótons. A construção de redes de placas tem sido tão difícil que tem havido pouca pesquisa em macroescala. Acreditamos que a dobragem é um caminho para uma utilização mais fácil deste tipo de estrutura de placa feita de metais."

O limite H-S citado pelo pesquisador refere-se à abordagem Hashin-Shtrikman, uma métrica que fornece limites (estimativas inferior e superior) para os módulos elásticos de uma mistura homogênea e isotrópica de diferentes materiais, dados os módulos elásticos e os volumes dos componentes.

Protótipos feitos em alumínio superaram qualquer outra estrutura corrugada do mesmo metal.
[Imagem: Alfonso Parra Rubio et al. (2023)]

Forte como metal, leve como cortiça

A nova técnica permite ajustar certas propriedades mecânicas da estrutura, como rigidez, resistência e módulo de flexão (a tendência de um material de resistir à flexão). Essas informações, bem como a forma 3D, são codificadas em um mapa de vincos, que é então usado para criar essas ondulações de kirigami.

Por exemplo, com base na maneira como as dobras são projetadas, algumas células podem ser moldadas para que mantenham sua forma quando comprimidas, enquanto outras podem ser modificadas para que se dobrem. Dessa forma, é possível controlar com precisão como diferentes áreas da estrutura se deformarão quando estiverem sujeitas à carga.

Como a flexibilidade da estrutura pode ser controlada, esses materiais corrugados poderão ser usadas em robôs ou outras aplicações dinâmicas com peças que se movem, torcem e dobram. E tudo com um processo de fabricação muito simples.

"Para fabricar coisas como carros e aviões, é necessário fazer um grande investimento em ferramentaria [fresagem ou tornearia, por exemplo]. Este processo de fabricação não depende de ferramentaria, como a impressão 3D. Mas, ao contrário da impressão 3D, nosso processo pode definir o limite para propriedades recordes do material," disse Gershenfeld.

Para demonstrar seu método, a equipe fabricou estruturas de alumínio com resistência à compressão de mais de 62 quilonewtons, mas pesando apenas 90 quilogramas por metro quadrado - a cortiça pesa cerca de 100 quilogramas por metro quadrado. As estruturas ficaram tão fortes que conseguem suportar três vezes mais força do que um corrugado típico de alumínio.

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