Na natureza, encontramos uma variedade de “sólidos celulares”, materiais compostos por agrupamentos de células que combinam leveza com rigidez e resistência. Essa característica é evidente em estruturas como favos de mel e até mesmo em nossos ossos, onde a forma dessas células desempenha um papel crucial nas propriedades mecânicas do material, incluindo sua rigidez e resistência.
Inspirados por essas estruturas naturais, engenheiros desenvolveram uma inovadora estrutura que, embora seja completamente constituída de metal, herda sua força e resistência, alcançando a leveza comparável à da cortiça. O professor Neil Gershenfeld, do MIT, descreveu esse novo material como uma “cortiça de aço”, ressaltando sua notável combinação de alta resistência e rigidez com sua incrível leveza.
A equipe por trás dessa descoberta explorou a ideia de “máquinas que constroem máquinas” ao desenvolver um processo de construção modular. Esse processo envolve a formação, dobra e montagem de componentes menores em formas tridimensionais, seguindo a técnica japonesa de kirigami. Por meio dessa abordagem, foram criadas estruturas e robôs que são tanto ultraleves quanto ultrafortes, capazes de suportar cargas específicas sem sofrer deformações permanentes.
Devido à sua notável combinação de leveza, resistência e facilidade de produção em massa em grandes escalas, essas estruturas têm grande potencial em diversas aplicações. Elas podem ser especialmente valiosas na arquitetura, construção civil, setor aeroespacial e na fabricação de componentes para aviões e veículos, oferecendo soluções inovadoras e eficazes para os desafios de engenharia contemporâneos.
(Foto: Alfonso Parra Rubio)
Essas inovadoras estruturas metálicas fazem parte de um avançado material de engenharia chamado “rede de placas”, que anteriormente havia sido demonstrado apenas em escalas muito menores através de técnicas como fabricação aditiva ou impressão 3D, limitadas à microescala.
A nova abordagem é notavelmente versátil, permitindo a criação dessas estruturas a partir de diversos metais, ligas e outros materiais. Isso possibilita a geração de formas personalizadas e propriedades mecânicas especialmente adaptadas às aplicações desejadas.
Estruturas arquitetadas, como treliças, frequentemente servem como núcleos para a construção de materiais compósitos, como as conhecidas estruturas tipo “sanduíche”. Para visualizar, imagine a asa de um avião, onde uma trama de vigas diagonais forma um núcleo treliçado situado entre os painéis superior e inferior. Essa treliça proporciona alta rigidez e resistência, ao mesmo tempo que é incrivelmente leve.
A distinção das redes de placas reside em sua constituição, sendo estruturas celulares formadas por interseções tridimensionais de placas, ao contrário das vigas (sejam elas sólidas ou ocas). Essas estruturas de alto desempenho exibem uma resistência e rigidez ainda maiores do que as treliças convencionais, porém sua complexidade tornava desafiador produzi-las através de métodos convencionais, como a impressão 3D, especialmente para aplicações de grande escala na engenharia.
Nesse ponto, técnicas japonesas de dobradura (origami) e recorte (kirigami) entraram em cena.
O kirigami tem sido aplicado para criar treliças de placas através de vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. No entanto, para construir uma estrutura de sanduíche, é necessário anexar placas planas na parte superior e inferior do núcleo corrugado, o que geralmente exige adesivos fortes ou técnicas de soldagem, tornando o processo demorado, caro e desafiador em termos de escalabilidade.
O pesquisador Alfonso Rubio teve a ideia de modificar o padrão de vinco de origami conhecido como padrão Miura-ori, de forma a transformar as pontas afiadas da estrutura ondulada em facetas planas. Essas facetas, semelhantes às de um diamante, proporcionam superfícies planas onde as placas podem ser facilmente fixadas usando parafusos ou rebites.
“Treliças de placas superam vigas em termos de resistência e rigidez, mantendo a mesma relação de peso e estrutura interna,” explicou Rubio. “Atingir o limite superior H-S para rigidez e resistência teóricas já foi demonstrado em nanoescala usando litografia de dois fótons. A construção de redes de placas tem sido um desafio, com pouca pesquisa em escala macro. Acreditamos que a técnica de dobradura oferece uma abordagem mais acessível para criar essas estruturas de placas feitas de metais.”
O termo “limite H-S” mencionado pelo pesquisador se refere à abordagem Hashin-Shtrikman, uma métrica que estabelece limites teóricos (superior e inferior) para os módulos elásticos de uma mistura homogênea e isotrópica de diferentes materiais, levando em consideração os módulos elásticos e os volumes dos componentes.
Resistente como metal, leve como cortiça
A inovadora técnica permite ajustar propriedades mecânicas específicas da estrutura, como rigidez, resistência e módulo de flexão. Essas informações, juntamente com o design 3D, são codificadas em um mapa de dobras, que é empregado para criar os padrões de kirigami ondulados.
Por exemplo, dependendo do desenho das dobras, algumas células podem ser configuradas para manter sua forma ao serem comprimidas, enquanto outras podem ser adaptadas para flexionar. Isso possibilita um controle preciso sobre como diferentes partes da estrutura irão deformar quando submetidas a cargas.
Devido à flexibilidade controlável da estrutura, esses materiais corrugados podem ser aplicados em robôs ou outras aplicações dinâmicas com componentes que se movem, torcem e dobram. E tudo isso é alcançado através de um processo de fabricação muito simples.
“Para a fabricação de itens como carros e aviões, normalmente é necessário um grande investimento em ferramentaria [como fresagem ou tornearia]. Nosso processo de fabricação não depende disso, ao contrário da impressão 3D. No entanto, diferentemente da impressão 3D, nosso processo pode estabelecer recordes de propriedades do material,” explicou Gershenfeld.
Para demonstrar a eficácia de sua abordagem, a equipe produziu estruturas de alumínio com resistência à compressão superior a 62 quilonewtons, com um peso de apenas 90 quilogramas por metro quadrado – a cortiça pesa cerca de 100 quilogramas por metro quadrado. Essas estruturas apresentaram uma força tão notável que podem suportar três vezes mais carga do que um alumínio corrugado convencional.
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