Инновационные открытия австралийских инженеров позволяют создавать плавучие решетчатые конструкции, что дает прекрасные возможности для инфраструктурных проектов в морской индустрии.
Например, при изготовлении навигационных буев, швартовых устройств, легких морских платформ.
Испытания, проведенные Университетом RMIT, показали, что титановая решетка, напечатанная на 3D-принтере и состоящая из полых соединенных между собой стоек, заполненных пенопластом, не только плавает, но и выдерживает воздействие морской воды и прочнее нержавеющей стали или пластика высокой плотности, которые в настоящее время используются в причалах, буях и плавучих датчиках.
Ведущий исследователь из Центра аддитивного производства RMIT доктор Джордан Норонья (Jordan Noronha) оценивает перспективное изобретение его коллектива, как способное преодолеть фундаментальную проблему создания плавающих металлических решетчатых конструкций.
— Хотя металлические решетки могут быть невероятно легкими – их плотность составляет менее одной десятой плотности воды, — их открытые, взаимосвязанные пространства позволяют воде проникать внутрь, заставляя их тонуть, – поясняет д-р Норонья.
— Таким образом, существующие прочные и легкие конструкции непригодны для морской инфраструктуры. Заполнив полиуретановой пеной только полые титановые стойки, мы создали конструкцию, которая позволяет воде проходить через нее, сохраняя плавучесть даже после значительных трещин и повреждений, — заклюет он.
Устойчивая плавучесть непотопляемых титановых решеток была подтверждена образцами, которые плавали в пресной воде более двух месяцев.
Чтобы достичь этого прогресса, исследователи разработали новый показатель, называемый плотностью скелета, который позволяет предсказать, будут ли открытые структуры плавать.
Обычные расчеты плотности включают все открытое пространство внутри решетчатой структуры, хотя вода может занимать это пространство и, следовательно, не влияет на плавучесть.
Плотность каркаса вместо этого учитывает только те части конструкции, которые исключают попадание воды: титановые стенки и герметичные каналы, заполненные пенопластом.
Таким образом, если плотность каркаса ниже, чем у окружающей жидкости, конструкция будет плавать, даже когда вода будет проходить через все ее внешние отверстия.
И действительно, испытания показали, что титановая конструкция, разработанная командой, на 70% прочнее нержавеющей стали или полиэтилена высокой плотности, широко используемых в судостроении, при той же общей плотности, не тонет.
Она также хорошо зарекомендовала себя при кратковременных испытаниях на коррозию с использованием природной морской воды из Мельбурнского залива Порт-Филлип: после двухнедельного погружения решетка потеряла всего 0,15% своей массы, а ее прочность снизилась менее чем на 1%.
Важно отметить, что гибридная решетка оставалась на плаву даже после значительных повреждений, включая растрескивание, разрушение ключевых точек соединения и разрушение целого слоя решетки и затонула только после того, как была сильно смята и уплотнена, что подчеркивает ее способность сохранять плавучесть, несмотря на серьезные структурные повреждения.
— Крошечные герметичные ячейки в пенопласте задерживают газ и предотвращают попадание воды в полые стойки, — объясняет д-р Норонья.
— Таким образом, пена действует как распределенный барьер, который помогает конструкции оставаться на плаву после повреждения – в отличие от обычных пустотелых морских сооружений, которые после растрескивания могут быстро заполняться водой, — отмечает он.
Команда продемонстрировала технологию на примере морского буя, напечатанного на 3D-принтере, который оставался устойчивым в бурлящем резервуаре с морской водой, повернутом на 45 градусов, без необходимости в герметичном корпусе, защитном покрытии или дополнительной плавучести.
Руководитель проекта, заслуженный профессор Ма Цянь (Ma Qian), не скрывает, что следующие шаги включают в себя расширение демонстрационных частей и тестирование долговременной работы в реальных морских и глубоководных условиях.
Его группа исследователей открыта для изучения ряда других применений, помимо морской инфраструктуры.
— Изменив материал внутри титанового каркаса, мы смогли создать аналогичную конструкцию для поглощения энергии, регулирования температуры, контроля вибрации и других применений, — пояснил он.
Центр аддитивного производства RMIT возглавил проект в сотрудничестве с Национальной консерваторией искусств и ремесел во Франции. Австралийский исследовательский совет и инженерная школа RMIT поддержали исследование.
Исследование «Преодоление поверхности: плавучие метаматериалы с гибридной решеткой металл–полимер с открытыми ячейками» было опубликовано в журнале Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.74641).
