أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي من جامعة سيول الوطنية (Seoul National University) نوعًا جديدًا من المواد الهيكلية فائقة الخفة، وذلك من خلال طريقة تصنيع تُعرف باسم "اللف العقدي ثلاثي الأبعاد" (3D node winding)، حيث تم بناء شبكة بلورية من ألياف الكربون على مقياس متوسط، تتميز بنسبة قوة إلى وزن مماثلة للألمنيوم، لكن وزنها لا يتجاوز واحدًا بالمائة من وزن الألمنيوم. نُشرت هذه النتائج في مجلة "نيتشر كوميونيكيشنز" (Nature Communications)، وتُظهر طريقة جديدة لبناء هياكل قوية وخفيفة الوزن دون الحاجة إلى وصلات أو تجميع طبقي، مما يزيل عقبة رئيسية في تصميم الهياكل التي تتطلب تجميع أجزاء منفصلة لتشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد معقدة.
تُعد المواد عالية القوة وخفيفة الوزن أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات مثل الطائرات بدون طيار، والروبوتات، والمركبات، والأنظمة الفضائية. على الرغم من أن المواد المركبة التقليدية من ألياف الكربون تتمتع بنسبة قوة إلى وزن ممتازة، إلا أنها تُصنع عادةً عن طريق تراص أو تجميع عدة أجزاء، مما يحد من مرونة التصميم ويُحدث واجهات ضعيفة. كما أن المواد المركبة المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة تعتمد على التصنيع الطبقي، مما يُدخل حدودًا داخلية تعيق نقل الأحمال، ويجبر المصممين على الموازنة بين التعقيد الهيكلي والموثوقية الميكانيكية.
بدلاً من تجميع أو تراص المواد، قام الفريق البحثي بوضع ألياف الكربون المستمرة المفردة مباشرة في الفضاء ثلاثي الأبعاد لتحديد الهيكل. تبدأ العملية بدعامة مؤقتة تحدد هندسة العقد، حيث تُلف ألياف الكربون الطويلة حول هذه العقد لتشكيل شبكة بلورية مكانية. بعد تحديد الشكل الهندسي، يتم تشريب الهيكل بالراتنج وتصلبه للحصول على مادة مركبة صلبة. نظرًا لاستمرارية الألياف في جميع أنحاء الهيكل، يمكن نقل القوى دون انقطاع، مما يتجنب تركيز الإجهاد ونقاط الفشل المرتبطة بالوصلات والواجهات.
حققت شبكة ألياف الكربون البلورية الجديدة قوة ضغط تتراوح بين 10 و30 ميغاباسكال، وهي مماثلة لقوة الخرسانة، مع توفير نسبة قوة إلى وزن مماثلة للألمنيوم بكتلة صغيرة جدًا. بفضل مسارات الحمل المستمرة، يمكن لهذه الهياكل أن تكون أقوى بعشر مرات من الهياكل البلورية التقليدية ذات الوزن نفسه، من خلال توزيع القوى بشكل أكثر فعالية وتقليل المواد غير النشطة. للتحقق من صحة هذه الطريقة، طبقها الباحثون على هيكل طائرة بدون طيار، حيث خفّض الهيكل المعاد تصميمه حوالي 79% من الوزن الهيكلي مقارنة بالتصميم التقليدي، مما أدى إلى زيادة زمن التحليق بنسبة 33% تحت نفس ظروف التشغيل.
أشار الدكتور جون يونغ تشوي (Jun Young Choi) والبروفيسور سونغ هون أهن (Sung-Hoon Ahn) إلى أن التعقيد المكاني لهياكل الألياف المستمرة كان يحد من قابلية التوسع في التصنيع التقليدي، ولكن مع التقدم في تقنيات التصنيع المعتمدة على الروبوتات والذكاء الاصطناعي، أصبح من الممكن الآن إنتاج هذه الهياكل على نطاق واسع، ويوفر هذا العمل خارطة طريق لتطبيقها العملي. يمتد تأثير هذه التقنية ليشمل مجالات متعددة مثل الفضاء، والأنظمة الحركية، والروبوتات، والبناء؛ ففي مجال الفضاء، يمكنها تحسين المدى، والقدرة على الحمولة، وكفاءة الطاقة؛ وفي مجال الروبوتات، يمكنها تعزيز سرعة الحركة ودقتها؛ وفي مجال البناء، تفتح آفاقًا لإطارات حاملة موفرة للمواد. تدعم هذه الطريقة التحول من الهندسة القائمة على المكونات إلى أنظمة هيكلية متكاملة تحددها الهندسة والاستمرارية والتصنيع الآلي.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
