שיטת האופטימיזציה החדשה מועילה לעיצוב חומרי סיבי פחמן קלים יותר

פחמן חיוני להישרדות כל היצורים החיים, מכיוון שהוא מהווה את הבסיס לכל המולקולות האורגניות, והמולקולות האורגניות מהוות את הבסיס לכל היצורים החיים.למרות שזה כשלעצמו מרשים למדי, עם הפיתוח של סיבי פחמן, הוא מצא לאחרונה יישומים חדשים מפתיעים בתעופה וחלל, הנדסה אזרחית ודיסציפלינות אחרות.סיבי פחמן חזקים, קשים וקלים יותר מפלדה.לכן, סיבי פחמן החליפו את הפלדה במוצרים בעלי ביצועים גבוהים כמו מטוסים, מכוניות מירוץ וציוד ספורט.

סיבי פחמן משולבים בדרך כלל עם חומרים אחרים ליצירת חומרים מרוכבים.אחד החומרים המרוכבים הוא פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן (CFRP), המפורסם בחוזק המתיחה שלו, בקשיחותו וביחס החוזק והמשקל הגבוה שלו.בשל הדרישות הגבוהות של חומרי סיבי פחמן מרוכבים, חוקרים ביצעו מספר מחקרים לשיפור החוזק של חומרי סיבי פחמן מרוכבים, רובם מתמקדים בטכנולוגיה מיוחדת הנקראת "עיצוב מונחה סיבים", אשר משפרת את החוזק על ידי אופטימיזציה של הכיוון של סיבים.

חוקרים מאוניברסיטת טוקיו למדע אימצו שיטת עיצוב סיבי פחמן המייעלת את הכיוון ואת עובי הסיבים, ובכך משפרת את חוזק הפלסטיק המחוזק בסיבים וייצור פלסטיק קל יותר בתהליך הייצור, ועוזר לייצור מטוסים ומכוניות קלים יותר.

עם זאת, שיטת התכנון של הנחיית סיבים אינה חפה מחסרונות.עיצוב מוביל הסיבים רק מייעל את הכיוון ושומר על עובי הסיבים קבוע, מה שמפריע לניצול מלא של התכונות המכניות של CFRP.ד"ר ryyosuke Matsuzaki מאוניברסיטת טוקיו למדע (TUS) מסביר שהמחקר שלו מתמקד בחומרים מרוכבים.

בהקשר זה, ד"ר מטסוזאקי ועמיתיו יוטו מורי ונאויה קומקאווה (Naoya kumekawa in tus) הציעו שיטת עיצוב חדשה, אשר יכולה בו זמנית לייעל את הכיוון ואת העובי של סיבים בהתאם למיקומם במבנה המרוכב.זה מאפשר להם להפחית את משקל ה-CFRP מבלי להשפיע על החוזק שלו.התוצאות שלהם מתפרסמות במבנה המורכב של כתב העת.

הגישה שלהם מורכבת משלושה שלבים: הכנה, איטרציה ושינוי.בתהליך ההכנה, הניתוח הראשוני מתבצע על ידי שימוש בשיטת האלמנטים הסופיים (FEM) כדי לקבוע את מספר השכבות, והערכת המשקל האיכותית מתבצעת באמצעות תכנון מנחה הסיבים של מודל למינציה ליניארי ומודל שינוי עובי.כיוון הסיבים נקבע לפי כיוון המתח העיקרי בשיטה האיטרטיבית, והעובי מחושב לפי תיאוריית המתח המקסימלי.לבסוף, שנה את התהליך כדי לשנות את החשבונאות לייצור, תחילה צור אזור התייחסות "צרור סיבים בסיס" הדורש חוזק מוגבר, ולאחר מכן קבע את הכיוון והעובי הסופי של צרור סיבי הסידור, הם מפיצים את החבילה משני צידי התייחסות.

יחד עם זאת, השיטה האופטימלית יכולה להפחית את המשקל ביותר מ-5%, ולהפוך את יעילות העברת העומס לגבוהה יותר מאשר שימוש בכיוון סיבים בלבד.

החוקרים נרגשים מהתוצאות הללו ומצפים להשתמש בשיטות שלהם כדי להפחית עוד יותר את המשקל של חלקי CFRP מסורתיים בעתיד.ד"ר מטסוזאקי אמר שגישת העיצוב שלנו חורגת מעבר לתכנון מרוכב מסורתי לייצור מטוסים ומכוניות קלים יותר, מה שעוזר לחסוך באנרגיה ולהפחית את פליטת הפחמן הדו-חמצני.