Stampa 3D di tavole da surf con design di base ispirati al biologico

Tavola da surf stampata in 3D: i ricercatori testano diverse strutture di base ispirate al bio

Proprio come un surfista con sede in Nuova Zelanda si è ispirato alla megattera e ai microgroga della pelle di squalo durante la creazione delle sue pinne da surf, così anche un team di ricercatori internazionali ispirati dal mondo naturale nella loro struttura di studio di una tavola per sport sull’acqua . Nel loro articolo pubblicato di recente, ” Stampa 3D di tavole da sport sull’acqua con disegni di base ispirati al biologico “, spiegano il loro lavoro facendo avanzare la tavola utilizzando la stampa 3D e diverse strutture di base ispirate al biologico, come il nido d’ape.

“La modellazione e l’analisi delle attrezzature sportive per la prevenzione degli infortuni, la riduzione dei costi e il miglioramento delle prestazioni hanno suscitato notevole attenzione nella comunità dell’ingegneria sportiva. A questo proposito, lo studio della struttura della tavola per sport acquatici (tavola da surf, kiteboard e skimboard) è vitale a causa della sua stretta relazione con l’ambiente e la salute umana, nonché delle prestazioni e della sicurezza della tavola ”, hanno scritto i ricercatori.

La stampa 3D è stata spesso utilizzata nel campo sportivo , ma in studi precedenti su schede stampate 3D, i ricercatori si sono concentrati principalmente sulla geometria, apportando solo piccole modifiche all’apparecchiatura. Questo gruppo di ricerca ha effettivamente introdotto diversi modelli da utilizzare come struttura interna interna del consiglio. La tecnologia FDM e i materiali PLA sono stati utilizzati per creare la prima scheda campione, caratterizzata da una struttura a nido d’ape uniforme creata con l’aiuto del software CATIA V5.

La maggior parte delle tavole moderne presenta una struttura a sandwich, in cui un guscio esterno sottile copre un nucleo interno in schiuma, che consente una maggiore galleggiabilità e stabilità, meno peso e una migliore resistenza alla flessione. Queste strutture presentano in genere un guscio superiore, il nucleo leggero e un guscio inferiore, ma questa scheda ha unito il guscio inferiore con il nucleo.

“È stata progettata una versione in scala ridotta di una vera tavola per sport acquatici”, hanno scritto i ricercatori. “La tavola aveva una larghezza di 48 mm e una lunghezza di 144 mm con una curvatura del raggio di 357 mm su due lati. È stata considerata una curvatura inferiore di 600 mm, risultando in un modello più vicino a quello reale. La struttura a nido d’ape esagonale costituiva il nucleo della tavola e veniva ripetuta attraverso il campione. “

I favi erano larghi 3 mm e modellati con pareti spesse 1 mm, mentre i gusci inferiore e superiore avevano spessori rispettivamente di 5 e 1,5 mm. Il team ha utilizzato una stampante 3D XYZprinting da Vinci 1.0 Pro per creare una scheda campione con una struttura a nido d’ape uniforme.

Le fratture della tavola da surf si verificano spesso tra i piedi del surfista, nella sezione centrale della tavola. Di solito, questo si verifica perché il labbro dell’onda impatta nel mezzo e lo strappa in due parti dopo che il surfista cade nell’acqua, o perché i piedi del surfista si avvicinano troppo e concentrano la pressione del loro corpo nel mezzo.

“In entrambe queste circostanze, un’enorme forza agisce sulla porzione centrale della tavola, causando un grande stress flettente che può provocare rotture”, hanno spiegato i ricercatori.

“Poiché entrambe queste rotture sono causate da sollecitazioni di flessione, un test di flessione meccanica a tre punti potrebbe essere impiegato per determinare la resistenza della scheda in tale carico.”

Il team ha testato la scheda a nido d’ape con caricamento in 3 punti, anche se hanno dovuto cambiare le pinze per il test.

“Il test con la velocità di deformazione di 0,001 s – 1 è stato eseguito a temperatura ambiente con una distanza di 80 mm tra due supporti. È stato condotto un test di spostamento controllato per ottenere una flessione massima di 4 mm nella gamma elastica. “

Per convalidare questi risultati e modellare la deformazione della struttura sotto il test, i ricercatori hanno sviluppato un “metodo analitico geometricamente lineare”, usando una sezione a forma di I equivalente con rigidità geometrica variata lungo l’asse X, per simulare la struttura a nido d’ape. Quindi, un metodo di elementi finiti geometricamente non lineare, basato sul software ABAQUS, ha simulato le schede con una varietà di strutture core diverse nell’ambito del test di flessione a tre punti.

È stato simulato un test di flessione per convalidare il modello FEM e il team ha eseguito un’analisi della sensibilità della mesh per assicurarsi che i risultati numerici fossero accurati. Quindi, hanno applicato lo stesso test alla scheda del campione con l’anima a nido d’ape per una deflessione massima di 4 mm. Lo stress massimo di ∼40 MPa, che si trova al centro della tavola, era abbastanza basso da mantenere la tavola “nella regione elastica desiderata”. Per fare un confronto, il PLA aveva un livello di prova di rendimento di 60 MPa.

“La curva di deflessione della forza per i risultati analitici numerici e geometricamente non lineari sperimentali e geometricamente lineari viene tracciata e confrontata tra loro nella Figura 13”, hanno spiegato i ricercatori. “La conclusione preliminare tratta da questa figura è il fatto che la scheda PLA mostra una deformazione elastica lineare fino a una forza di 300 N , oltre la quale il materiale produce, seguito da una deformazione plastica che si manifesta come un plateau dopo 500 N “.

Dopo aver convalidato il modello FEM geometricamente non lineare per la scheda con la struttura del nucleo a nido d’ape, il team ha simulato altri modelli per il nucleo del guscio inferiore. L’esecuzione del test di flessione su tre punti con il pacchetto software FEM geometricamente non lineare ABAQUS, mentre il volume totale della scheda è stato mantenuto costante, li ha aiutati a trovare la struttura con la massima resistenza alla flessione. Le diverse strutture che hanno testato erano:

Struttura esagonale-Rhomic (HR)
Struttura a nido d’ape triangolare
Reticolo esagonale in carbonio
Pigna e motivi ispirati al girasole
Modello ispirato alla ragnatela
Struttura a nido d’ape di grado funzionale (FG)
“Per tutte le strutture, è stato condotto lo studio sulla convergenza delle maglie ed è stato selezionato il numero appropriato di elementi per il modello FEM”, hanno scritto i ricercatori. “Inoltre, è stato calcolato che le sollecitazioni massime di tutte le schede con varie strutture centrali hanno mostrato una sollecitazione massima inferiore alla sollecitazione di snervamento del materiale PLA.”

Hanno scoperto che la scheda con struttura a nido d’ape FG ha avuto le migliori prestazioni di flessione – il 31% migliore, in effetti, rispetto alla scheda con struttura a nido d’ape uniforme a una forza di 500 N. Ciò significa che può tollerare le forze massime, al contrario di una forza intermedia come il resto delle strutture.

“A causa dell’assenza di progetti e risultati simili in letteratura, si prevede che questo documento farà avanzare lo stato dell’arte delle schede per sport acquatici e fornirà ai progettisti strutture che potrebbero migliorare le prestazioni delle attrezzature sportive”, hanno concluso i ricercatori.