Antiga forma de arte japonesa inspira materiais leves ultrafortes

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A antiga arte japonesa de dobrar e cortar papel, chamada kirigami, foi usada no passado para desenvolver técnicas de impressão 3D, fitas removíveis mais resistentes e até mesmo revestimento de sapatos. Suas aplicações têm sido muitas, pois inspira novas maneiras de fazer as coisas que resultam em produtos superiores.

Agora, os engenheiros do MIT usaram essa forma de arte para desenvolver um tipo de material de alto desempenho, ultraforte, mas muito leve, conhecido como estrutura de placas, de acordo com um comunicado de imprensa publicado na terça-feira.

“Este material é como a cortiça de aço. É mais leve que a cortiça, mas com elevada resistência e elevada rigidez”, disse o professor Neil Gershenfeld, que lidera o Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e é autor sénior de um novo artigo sobre esta abordagem.

Usando um processo de construção modular que envolve componentes menores formados, dobrados e montados em formas 3D, os engenheiros conseguiram produzir treliças de placas.

Estas são estruturas celulares compostas por interseções tridimensionais de placas, em vez de vigas, tornando-as mais fortes e rígidas do que treliças.

No entanto, eles são notoriamente complicados de fabricar usando técnicas comuns como a impressão 3D. Foi aí que entrou o kirigami.

A forma de arte remonta ao século VII e até agora tem sido usada com sucesso para produzir treliças de placas a partir de vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. Os pesquisadores do MIT aprimoraram ainda mais esse processo, modificando um padrão comum de vinco de origami, conhecido como padrão Miura-ori, de modo que as pontas afiadas da estrutura ondulada sejam transformadas em facetas. As facetas servem como superfícies planas às quais as placas podem ser fixadas sem o uso de parafusos ou rebites. Isto permite a criação de estruturas sanduíche.

“As treliças de placas superam as treliças de vigas em resistência e rigidez, mantendo o mesmo peso e estrutura interna”, disse Parra Rubio, assistente de pesquisa do CBA.

“Atingir o limite superior do HS para rigidez e resistência teóricas foi demonstrado através da produção em nanoescala usando litografia de dois fótons. A construção de redes de placas tem sido tão difícil que tem havido pouca pesquisa em escala macro. Acreditamos que a dobragem é um caminho para facilitar a utilização deste tipo de estrutura de placas feitas de metais.”

O novo processo também permite que os engenheiros controlem a rigidez, a resistência e o módulo de flexão do novo material, codificando esses dados em um mapa de vincos que é usado para criar as ondulações do kirigami.

Os pesquisadores até conceberam um processo de montagem modular conveniente para estruturas maiores, usando uma máquina exclusiva chamada mesa de corte Zund.

“Para fabricar coisas como carros e aviões, é necessário um grande investimento em ferramentas. Este processo de fabricação ocorre sem ferramentas, como a impressão 3D. Mas, diferentemente da impressão 3D, nosso processo pode estabelecer o limite para propriedades recordes de materiais”, disse Gershenfeld.

Agora os pesquisadores estão trabalhando em ferramentas de design CAD fáceis de usar, desenvolvidas especificamente para essas estruturas inspiradas no kirigami. Até agora, a equipe de engenheiros e estudantes de pós-graduação usaram seu novo processo para criar grandes obras de arte em alumínio atualmente expostas no MIT Media Lab.

“No final das contas, a obra artística só é possível por causa das contribuições matemáticas e de engenharia que mostramos em nossos artigos. Mas não queremos ignorar o poder estético do nosso trabalho”, disse Rubio.

As obras de arte têm vários metros de comprimento, mas levaram apenas algumas horas para serem feitas, graças à eficiência do novo sistema.