RO137180A0 - Structură celulară tridimensională biomimetică pentru construcţii de tip sandwich şi optimizări topologice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o structură celulară tridimensională biomimetică pentru construcţii de tip sandwich şi optimizări topologice, destinată în special fabricaţiei aditive, care are ca scop integrarea în construcţii de tip sandwich, sau utilizarea în vederea optimizării topologice pentru a se reduce greutatea finală a ansamblului în care este utilizată şi să asigure rezistenţa mecanică pentru aplicaţia dorită. Structura celulară tridimensională biomimetică pentru construcţii de tip sandwich şi optimizări topologice, conform invenţiei, cuprinde o celulă (2) de bază situată într-un panou cu nişte feţe (1 şi 3), alcătuită din nişte sfere (a) şi nişte cilindri (b), aceasta luând forma unui fulg de nea, creând ca perimetru exterior imaginar un hexagon între sferele (a) de la capetele cilindrilor (b), uniunea a două sau mai multe celule laterale adiacente se realizează conform unor îmbinări (c), rolul sferelor (a) fiind de noduri de transfer al încărcărilor mecanice între celule şi restul elementelor, din nişte elemente (d) de suport cilindrice care au rolul de a conecta sferele exterioare celulelor pentru a prelua şi transmite sarcinile la care este supusă structura, din nişte îmbinări (e) între următorul şir de celule formate pe înălţime şi din nişte elemente (f) suport cilindrice care asigură creşterea în adâncime a celulei stratificate, acestea având rolul de a crea punţi între toate sferele (a) celulei adiacente.

Description

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI

STRUCTURĂ CELULARĂ TRIDIMENSIONALĂ BIOMIMETICĂ PENTRU CONSTRUCȚII DE TIP SANDWICH ȘI OPTIMIZĂRI TOPOLOGICE

Invenția se referă la o structură tridimensională de tip celulară, biomimetică, destinată in principal fabricației aditive, care are ca scop integrarea in construcții de tip sandwich, sau utilizarea in vederea optimizării topologice pentru a reduce greutatea finala a ansamblului in care este utilizata si sa asigure rezistenta mecanica pentru aplicația dorita.

Sunt cunoscute diverse structuri utilizate in astfel de construcții, care deservesc aplicatii multiple, precum atenuarea socului sau a impactului pentru industria vehiculelor terestre, aviație si spațiu, sporind astfel protecția mărfurilor sau a pasagerilor, dar si pentru protecția obiectivelor cu grad înalt de securitate. Majoritatea acestor structuri sunt dezvoltate ca ansamblu bidimensionala precum structurile de tip fagure, triunghi, etc, avand geometrii simple ușor de realizat prin procedee mecanice.

în același scop se cunoaște o structură celulară stratificată formată pe baza unei structuri celulare expandate mecanic, conform documentului RO 127038 Bl, cu rol de absorbție a energiei de impact.

Este de asemenea cunoscuta structura de tip panou celular metalic realizat din suprapunerea si îmbinarea mai multor straturi de table profilata sub diferite forme, utilizat pentru disiparea energiei de impact prin deformare plastica, conform documentului WO 2009078052 A2.

Tot in acest scop, conform documentului RU 2246646, se cunoaște un atenuator de impact, realizat din structuri celulare cu forme hexagonale, circulare sau dreptunghiulare la care forța de impact actioneaza pe direcție perpendiculara pe muchiile laterale ale celulelor.

De asemenea, conform documentelor GB 2345737 A, GB 2323146 A, GB 2305487, se cunoaște structura celulara de tip fagure de albine, utilizata la realizarea de panouri pentru absorbția energiei de impact prin deformare plastica a pereților celulelor la care forța de impact actioneaza in aceeași direcție cu muchiile celulelor.

Se regăsește in documentele US 10704638 B2, US 10393315 B2, US 10473177B2, US 10220881 B2, US 10429006 B2 descrierea unei structuri celulare cuprinzând o multitudine de

PREȘEDINTE DIRECJOR.GENERAL

RO 137180 AO celule, fiecare celulă din multitudinea de celule având o secțiune transversală cu doisprezece / paisprezece / șaisprezece colțuri cuprinzând doisprezece / paisprezece / șaisprezece laturi, realizate dintr-un material selectat din grupul format din aliaje de oțel, aliaje de titan, aliaje de aluminiu, aliaje de magneziu, nailon, polimeri, materiale plastice, compozite, compozite armate cu fibre, silicon, materiale semiconductoare, hârtie, cauciuc, spume, geluri, lemn, pluta, materiale cu memorie și combinații ale acestora.

Dezavantajul principal al structurilor prezentate anterior sunt lipsa rezistentei mecanice la încovoiere si tracțiune, aceasta fiind oferita de către fetele ce închid aceste structuri sandwich/ panouri. Un alt dezavantaj il reprezintă necesitatea unui consum mare de material pentru obținerea acestora, care sa permită disiparea cantitatii necesare de energie pentru aplicatii care sunt supuse la cantitati mari de energie de impact.

Alte dezavantaje notabile sunt densitățile mari in raport cu spațiul de umplere pentru panoul dorit, datorita modelului de distribuție al celulelor care duce astfel la un număr mic de variabile ce pot ajuta la obținerea unei optimizări topologice a construcției.

Un alt avantaj il reprezintă parametrizarea ansamblului unei celule care permite modificarea geometrica pentru a optimiza structura finala in funcție de tipul de tehnologie utilizat spre fabricația aditiva a acesteia, dar si a cerințelor pentru care aplicația structurii este destinata.

Scopul invenției este de a obține structuri celulare biomimetice, inspirate din geometria microscopica a fulgilor de nea regăsiți in natura, creând astfel structuri tridimensionale al căror comportament permite disiparea energiei prin cedarea treptata a fiecărui rând de celule si a legaturilor adiacente, avand in același timp caracteristici superioare sub încărcări mecanice la încovoiere si tracțiune in comparație cu alte structuri bidimensionale care dobândesc aceste caracteristici datorita pereților care sunt atasati lor.

Structurile celulare care au un raport mare rezistență/greutate, oferă o izolare termică excelentă, o bună absorbție a energiei și, în combinație cu instrumente modeme de analiză, pot fi adaptate pentru a avea densități diferite în zonele cu un nivel înalt de solicitare. Structurile celulare oferă avantaje care nu pot fi obținute cu ușurință de la structurile omogene, cum ar fi creșterea raportului rezistență-greutate, absorbția de energie și performanța termică. Aceste avantaje pot fi obținute având în vedere că materialele celulare permit reglarea alocării materialului și spațiului la un nivel mai fin decât este atins prin structuri omogene tradiționale și

PREȘEDINTE DK^CTpk GENERAL

DR.ING. VAEÎNIINSILI^ESTRU

RO 137180 AO la un nivel de scară mai accesibil decât la nivel microstructural. în timp ce aceste avantaje au fost exploatate chiar înainte ca fabricarea aditivă să sosească pe scenă, tehnologiile de fabricație aditivă au făcut semnificativ mai ușoară fabricarea acestor structuri și explorarea geometriilor care erau imposibil de fabricat din punct de vedere al costurilor și al complexității.

Invenția poate fi astfel fabricata aditiv, ca ansablu al construcției dorite, ca optimizare topologica sau poate fi fabricata ca atare si integrata intre panouri pentru a crea structuri sandwich. Prinderea de panouri se poate realiza fie prin adeziv, fie prin îmbinări mecanice existând posibilitatea modificării in zonele de contact a suprafețelor ce urmeaza sa deservească ca suprafețe de prindere pentru a mari aria acestora sau adancimea, in funcție de aplicația dorita.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu figurile 1-7, care reprezintă:

- fig.l, reprezentare generala a unei panou de tip sandwich, realizat cu structura celulara biomimetica tridimensionala, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente;

- fig.2, reprezentarea structurii celulare biomimetice trimidemensinala, pentru realizarea unui panou de tip sandwich, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente.

- fig.3, reprezentare laterala a structurii celulare biomimetice trimidemensinala, pentru realizarea unui panou de tip sandwich, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente.

- fig.4, reprezentare frontala a celulei care sta la baza structurii conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente si reprezentarea frontala a legăturii intre doua celule care sta la baza structurii conform acestei invenții.

- fig.5, reprezentarea frontala a rigidizarii a doua celule laterale care sta la baza structurii conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente si reprezentarea frontala a legăturii si rigidizarii in înălțime a patru celule care sta la baza structurii conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente.

- fig.6, reprezentarea laterala a stratificării celulelor in adâncime care sta la baza structurii conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente.

- fig.7, reprezentarea laterale a mai multor structuri celulare ce formează stratificarea in adâncime conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente.

PREȘEDINȚEDÎRECÎ

DRJNf^yALWlN

GENERAL

RO 137180 AO

Structura celulară tridimensională biomimetică pentru construcții de tip sandwich și optimizări topologice, conform invenției, conține o celula de bază 2 conform fig. 4 a cărei dimensiune se modifica în funcție de cerințele aplicației pentru care este fabricata, cu condiția de menținere a unui permietru hexagonal care poate fi creat prin capetele sferice ale celulei conform fig. 5.

In fig.l se prezintă un exemplu de integrare a structurii celulare 2 conform acestei invenții, intr-un panou cu niște fețe 1 si 3. Structura celulara tridimensionala conform acestei invenții se regăsește in figurile 1-7 si este formata din celula de baza 2 din fig. 4 avand ca elemente distinctive niște sfere a si niște cilindrii b, aceasta luând forma unui fulg de nea, creând ca perimetru exterior imaginar un hexagon intre sferele a de la capetele cilindrilor b.

Uniunea a doua sau mai multe celule laterale adiacente se realizează conform îmbinării c, rolul sferelor a fiind de noduri de transfer al încărcărilor mecanice intre celule si restul elementelor.

In fig. 5 se indetifică niște elemente de suport cilindrice d care au rolul de a conecta sferele exterioare celulelor conform acestei invenții pentru a prelua si transmite sarcinile la care este supusa structura. Structura mai prezintă niște îmbinări e între următorul sir de celule formate pe înălțime.

Structura celulară tridimensională mai cuprinde niște elemente suport cilindrice f (fig.6) ce asigură creșterea in adâncime a celulei stratificate conform acestei invenții și acestea se vor utiliza pentru a crea punți între toate elementele a ale celulei adiacente. Lungimea si diametrul elementelor f se poate modifica in funcție de cerințele aplicației.

In fig.7 elementele g reprezintă un exemplu de stratificare pe mai multe straturi in adâncime conform acestei invenții.

Toate elementele conexe se modifica in funcție de aplicație, cu condiția de a menține un raport minim de mărime a diametrului intre sferele a si cilindrii b de 2/1.Sferele a sunt plasate pe lungimea cilindrului b la distante de 1/3, 2/3 si 3/3.

Structura celulară tridimensională biomimetică pentru construcții de tip sandwich și optimizări topologice, conform invenției, mai cuprinde niște îmbinări c si e care se mențin in cazul modifcarii dimensiunilor celulei de baza pentru a crea structura celulara stratificată dorită, conform acestei invenții.

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Structură celulară tridimensională biomimetică pentru construcții de tip sandwich și optimizări topologice, caracterizată prin aceea că, cuprinde o celulă de bază (2) situată într-un panou cu niște fețe (1) si (3), alcătuită din niște sfere (a) si niște cilindrii (b), aceasta luând forma unui fulg de nea, creând ca perimetru exterior imaginar un hexagon intre sferele (a) de la capetele cilindrilor (b), uniunea a doua sau mai multe celule laterale adiacente se realizează conform unor îmbinări (c), rolul sferelor (a) fiind de noduri de transfer al încărcărilor mecanice intre celule si restul elementelor, din niște elemente de suport cilindrice (d) care au rolul de a conecta sferele exterioare celulelor pentru a prelua si transmite sarcinile la care este supusa structura, din niște îmbinări (e) între următorul sir de celule formate pe înălțime și din niște elemente suport cilindrice (f) ce asigură creșterea in adâncime a celulei stratificate, acestea avînd rolul de a crea punți între toate sferele (a) ale celulei adiacente.