SI26064A - Osnosimetrična kiralna avksetična struktura - Google Patents

Abstract

Osnosimetrična kiralna celična struktura (valjaste ali krogelne oblike) je sestavljena iz enakih oz. spremenljivih enotskih kiralnih celic in se pri obremenitvi deformira tako, da izkazuje negativno Poissonovo razmerje (avksetičnost) v vseh koordinatnih smereh. S spremembo parametrov enotskih celic osnosimetrične strukture se lahko ustvari prostorsko spremenljiva strukturo s spremenljivimi lastnostmi Pri enoosnih obremenitvah se struktura deformira izotropno v radialni smeri.

Description

OPIS IZUMA

Naziv izuma je Osnosimetrična kiralna avksetična struktura. Izum se nanaša na področje konstruiranja in materialov.

Predmet izuma je osnosimetrična kiralna celična struktura (valjaste ali krogelne oblike), sestavljena iz enakih oz. spremenljivih enotskih kiralnih celic, ki se pri obremenitvi deformira tako, da izkazuje negativno Poissonovo razmerje (avksetičnost) v vseh koordinatnih smereh. Pri enoosnih obremenitvah se struktura deformira izotropno v radialni smeri.

Avksetične strukture [1] pri deformiranju izkazujejo negativno Poissonovo razmerje in značilno veliko spreminjanje prostornine. Pri vzdolžni tlačni obremenitvi skrčijo v prečni smeri (prostornina se bistveno zmanjša), pri vzdolžni natezni obremenitvi pa se v prečni smeri razširijo (prostornina se bistveno poveča). To je posledica običajno načrtovanega mehanizma deformiranja osnovnih celic strukture, kar je pogojeno z določeno stopnjo poroznosti celic. Z vključitvijo koncepta avksetičnosti je možno lastnosti večnamenskih celičnih struktur (npr. nizka masa glede na nosilnost) dodatno nadgraditi (npr. povečanje strižne togosti in absorpcije energije, sprememba načina odziva pri upogibni obremenitvi) in s tem povečati njihovo uporabnost na različnih področjih inženirstva, medicine in športa.

Do sedaj je bilo razvitih več vrst dvo- in tridimenzionalnih avksetičnih struktur. Njihova geometrija temelji na enotskih celicah, ki se periodično ponavljajo v prostoru in tako tvorijo celično strukturo. Celice so določene s svojimi morfološkimi lastnostmi (npr. velikost, oblika, zaprto- ali odprto-celičnost). Enotska celica opredeljena v tem izumu je kiralne oblike, ki temelji na analizi lastnih frekvenc neavksetične strukture. Vozlišča (oglišča) enotske celice so povezana z ukrivljenimi nosilci ali stenami (polnimi površinami).

Avksetičnih struktur valjaste oz. krogelne oblike s sestavljanjem do sedaj razvitih avksetičnih osnovnih celic ni bilo možno doseči. Ob tvorjenju takšne oblike struktur so zunanje celice običajno nepopolne oz. nezaključene. Robovi in nestikajoči se nosilci pa predstavljajo nevarnost poškodb, hkrati pa degradirajo lastnosti (npr. togost, toplotna prevodnost) zunanje plasti enotskih celic.

Možno rešitev predstavljajo valjasti in krogelni izdelki s plaščem (v notranjosti so votli) iz avksetične geometrije v obodni smeri [2]. Valjasti se pogosto uporabljajo v medicinske namene (npr. stenti [3-5]). Drugo rešitev predstavljajo izvlečene oblike [6] in vrtenine z dvodimenzionalno avksetično geometrijo in konstantnim prerezom v eni smeri (posledično izkazujejo avksetičen odziv le v dveh smereh od treh), s tem pa tvorijo zaprte kanale v radialni smeri, kar omejuje morebitno potrebo po propustnosti, hkrati pa neprekinjene površine povečujejo maso izdelku. Večinoma so zasnovani na vbočenih šestkotnih strukturah [6].

Namen in cilj izuma je izboljšati osnosimetrične celične strukture tako, da bodo imele avksetični odziv v vseh koordinatnih smereh (v radialni in obodni smeri ter po višini za valjasto obliko in v radialni ter obeh obodnih smereh za krogelno obliko). To je doseženo z novo razvito osnosimetrično kiralno celično strukturo. Izbrana oblika enotske celice je tetra-kiralna, vendar je lahko tudi drugih kiralnih oblik. V osnovi predstavlja tridimenzionalna kiralna enotska celica rešetkasto strukturo, ki jo gradijo zgolj nosilci (odprta celica), kar omogoča manjšo maso končnega izdelka. Osnosimetričnost avksetične strukture je dosežena s periodično razporeditvijo enotske kiralne celice v radialni in obodni smeri v eni plasti. Število plasti določa končno višino izdelka. Zaradi osnosimetrične razporejenosti enotskih celic so le-te tudi na zunanjem robu popolnih oblik, s čimer enakovredno prispevajo k lastnostim strukture (npr. togosti, toplotni prevodnosti).

Možne so različne izvedbe osnosimetrične kiralne avksetične strukture, glede na: i) osnovni material (kovinski ali nekovinski), ii) medvozliščne nosilce enotskih celic (oblika preseka, debelina, dolžina, funkcija ukrivljenosti, povezava sosednjih ali nasproti ležečih vozlišč) iii) enotsko celico (velikost, zapolnjenost sten (odprta ali zaprta celica), iv) razporeditev enotskih celic v prostoru.

Omenjeni parametri so lahko v končni strukturi isti, lahko pa se spreminjajo v radialni smeri oz. obodni smeri oz. po višini. Na takšen način je možno izdelati osnosimetrične kiralne avksetične strukture s prostorsko spremenljivimi lastnostmi.

Osnosimetrične kiralne avksetične strukture se lahko uporabijo kot i) opora v cevi, ki vzdržuje potreben notranji presek oz. pretočnost tudi na pregibih (sinklastičen odziv pri upogibu), ii) polnilo profilov z okroglim notranjim presekom, iii) ovoj (zunanja plast) profilov z okroglim zunanjim presekom, iv) filter s spremenljivimi lastnostmi, v) odbijač oz. absorber energije, vi) brezzračni oz. nenapihljivi izdelki (npr. pnevmatika, žoga), vii) prevodnik toplote, viii) izolator.

Osnosimetrična kiralna avksetična celična struktura, ki je predmet tega izuma, je prikazana na naslednjih slikah:

Slika 1: Osnovna tridimenzionalna kiralna enotska celica (a) in različni načini povezav med vozlišči.

Slika 2: Obris valjaste osnosimetrične kiralne strukture (naris) in prikaz poteka avksetične deformacije pri enoosni tlačni obremenitvi.

Slika 3: Valjasta osnosimetrična kiralna struktura (prerez) s konstantno velikostjo celic v radialni (r) smeri in b) spremenljivih velikost celic v radialni (ή smeri.

Slika 4: Gradirana valjasta osnosimetrična kiralna struktura (prerez) s spremenljivo velikostjo celic v radialni (r) smeri.

Slika 5. Gradirana valjasta osnosimetrična kiralna struktura (prerez) s spremenljivim prerezom nosilcev v radialni (r) smeri.

Slika 6: Opora cevi z osnosimetrično kiralno strukturo.

Slika 7: Osnosimetrična kiralna struktura kot polnilo oz. ovoj cevi z okroglim presekom.

Osnovna tridimenzionalna kiralna enotska celica (slika 1a) sestoji iz vozlišč (1) in ukrivljenih nosilcev (2), ki vozlišča povezujejo. Vozlišča povežemo na različne načine po robu (slika 1a), diagonali ploskve (sliki 1 b in 1 c) oz. kombinaciji navedenega. Prerez nosilcev je poljubne oblike, z namenom zmanjšanja mase je možna tudi votla izvedba. Možna je tudi izvedba z zapolnjenimi stranicami enotskih celic.

Valjasta osnosimetrična kiralna avksetična struktura (sliki 2) je sestavljena iz enotskih celic (slika 1), ki so med seboj povezane v vozliščih. Ob enoosni obremenitvi izkazuje izotropno deformacijo v radialni (r) smeri, kot je prikazano za primer tlačne obremenitve na sliki 2. Kljub tlačni obremenitvi se zaradi avksetičnosti prerez v radialni smeri zmanjša.

Valjasto osnosimetrično kiralno strukturo je možno sestaviti iz enotskih celic enake (slika 3) ali spreminjajoče se (slika 4) velikosti v radialni (r) smeri. Velikost celic je možno spreminjati tudi v obodni (φ) smeri.

S spreminjanjem velikosti celic v obodni (φ) oz. radialni (r) smeri oz. po višini (z smer) je možno sestaviti gradirano osnosimetrično kiralno strukturo. Gradiranost je dosežena tudi s spreminjanjem prereza oz. ukrivljenosti nosilcev v posamezni ali več smereh (slika 5). Gradiranost se po strukturi spreminja z linearno ali nelinearno funkcijo.

Slika 6 prikazuje možnost uporabe osnosimetrične kiralne strukture kot opore ob zagotavljanju pretočnosti v gibkih ceveh. Uporaba osnosimetrične kiralne strukture kot polnilo cevi (slika 7a), ovoj cevi z okroglim prerezom (slika 7b) ali polnilo in ovoj cevi z okroglim prerezom (slika 7c).

Reference:

1. Lakes, R. S. Polyhedron celi structure and method of making same, Patent: US4,668,557 1987.

2. Paoletti, I. Hairstyle accesspry, Patent: WO2018229585A1 2018.

3. Passman, J. A.; Azanki, O. F.; Amefia, K. A. Adjustable percutaneous heart valve repair system, Patent: US20190358029A1 2019.

4. Passman, J. A.; Azanki, O. F. Percutaneous implant retrieval connector and method, Patent: WO2019135907A1 2019.

5. Grima, J. N.; Casha, A.; Gatt, R. Stents with zero poisson’s ratio celiš, Patenet: GB2514074A 2011.

6. Mun, D. Y.; Kirn, H. J.; Choi, S. J. Airless tire, Patent: US20120060991A1

2012.

Claims (3)

1. Osnosimetrična kiralna avksetična struktura je značilna po tem, da je sestavljena iz enotskih kiralnih celic, ki so v prostoru osnosimetrično razporejene enakomerno oz. neenakomerno, tako da tvorijo valjasto ali krogelno obliko; gradijo jo ukrivljeni nosilci (2), ki se stikajo v vozliščih (1), stranice enotskih celic pa so lahko zapolnjene, s čimer tvorijo zaprte celice oz. kanale v strukturi.

2. Osnosimetrična kiralna struktura po zahtevku 1 je značilna po tem, da se gradniki enotskih celic pri obremenitvi deformirajo tako, da celotna struktura izkazuje negativno Poissonovo razmerje (avksetičnost) v vseh smereh (v radialni in obodni smeri ter po višini za valjasto obliko in v radialni ter obeh obodnih smereh za krogelno obliko), pri tlačni oz. natezni obremenitvi pa izkazuje izotropen odziv v radialni smeri.

3. Osnosimetrična kiralna struktura po zahtevku 1 je značilna po tem, da se s spremembo parametrov enotskih celic osnosimetrične strukture lahko ustvari prostorsko spremenljivo strukturo s spremenljivimi lastnostmi v radialni smeri oz. obodni smeri oz. po višini.