Strutture a nido d’ape: dal riempimento agli pneumatici per biciclette
Ogni cellula cerosa è un esagono perfetto ed è questo schema ripetuto di figure a sei lati che si vede in una sezione trasversale di un nido d’ape. Le api, che arrivano a 50.000 esemplari per ogni colonia, useranno questo pettine per conservare miele, polline e per allevare la covata.
Certo, oggigiorno gli apicoltori danno alle api una mano (o, piuttosto, le costringono) a creare le loro case in scatole prevalentemente quadrate con telai rimovibili contenenti fondi di cera che le api estraggono dalle loro cellule. Ma, lasciate a se stesse, le loro case sono ancora strutture bellissime ma non facili da gestire per gli apicoltori. In natura potevano fare un nido dentro una parete o a 100 metri d’altezza attaccate a delle rocce .
Ma perché le cellule esagonali? Sebbene gli umani lo sapessero da anni, solo nel 1999 il matematico americano Thomas Hales ha finalmente dimostrato che l’esagono è effettivamente il modello più efficiente per la conservazione del miele . È una struttura che massimizza lo spazio di archiviazione e riduce al minimo il materiale richiesto. Infatti, il favo può sostenere 40 volte il proprio peso nel miele. Api intelligenti!
Ma prima di dare tutto il merito a questi mini matematici, Jürgen Tautz nel suo libro The Buzz about Bees: Biology of a Superorganism (che consiglio vivamente di aggiungere all’elenco “da leggere”), spiega che le celle sono inizialmente costruite come cilindri . Le api usano i loro corpi come modello mentre iniziano a costruire le pareti delle celle ed è solo quando le cellule vengono riempite, calpestate e vengono a contatto con altre cellule di cera che “si gonfiano” in una forma esagonale. Natura intelligente!
Infatti, ispirati dalla natura in quella che viene definita biomimetica, vediamo strutture a nido d’ape intorno a noi in varie applicazioni architettoniche, ingegneristiche e scientifiche, tra cui l’ industria aerospaziale , in cui il materiale e il peso devono essere ridotti ma la forza preservata.
Nella stampa 3D, il nido d’ape è anche una struttura familiare, in particolare per i riempimenti. Gli oggetti stampati in 3D non sono in genere solidi al 100% e sono invece tenuti insieme da una struttura a traliccio chiamata riempimento. La maggior parte delle parti stampate in 3D su stampanti 3D FFF (FDM, Material Extrusion) sono piene solo dal 20 al 30%. I riempimenti svolgono un ruolo essenziale nella forza complessiva di un oggetto, collegando i gusci esterni e supportando anche le superfici superiori.
In questa immagine , i creatori della stampante Gigabot 3D, dimostrano tre modelli di riempimento (rettilineo, triangolare e a nido d’ape) a diverse percentuali di densità.
Il modello e la densità di riempimento specifici influiscono sulla resistenza della parte finita. Le densità di riempimento più alte, naturalmente, renderanno un oggetto più forte, ma useranno più materiale, impiegheranno più tempo a stampare e costano di più. Il segreto per l’uso riuscito del riempimento è trovare il punto debole in cui si ottiene una forza sufficiente per lo scopo progettato di un oggetto.
Il riempimento a nido d’ape o esagonale è generalmente considerato il modello di riempimento più comunemente utilizzato e più resistente. Fornisce una maggiore forza complessiva in tutte le direzioni rispetto a un motivo rettangolare, ad esempio, con un aumento minimo del tempo di stampa.
La percentuale e il modello designati del riempimento sono impostati nel software di taglio. Quasi tutti i software di slicing come slic3r , Simplify3D e Cura offrono sei opzioni per i modelli di riempimento. In CAD o attraverso il software Desktop MakerBot , tuttavia, gli utenti possono creare progetti personalizzati, che sembrano buoni ma non sempre pratici.
Come beta tester di Materialise Magics 22, l’ufficio servizi Midwest Prototyping è stato in grado di ridurre il volume dei suoi modelli master stampati in 3D utilizzati per la fusione in silicone.
Sul tema dei favi, all’inizio di quest’anno Materialise Magics , preparazione dei dati e software di editor AWL per la stampa 3D, ha pubblicato una nuova struttura a nido d’ape in Materialise Magics 22 . Materialise sostiene che questo nuovo metodo può creare stampe 3D molto più leggere senza compromettere l’integrità strutturale e l’uso funzionale.
Dai prototipi e dagli stampi, le strutture a nido d’ape stanno dimostrando un potenziale utilizzo anche in prodotti funzionali e di uso finale. Ad esempio, IAV Automotive Engineering, con sede a Berlino, utilizza la stampa 3D in metallo per creare un nuovo tipo di pistone per motori di veicoli commerciali dotato di un reticolo a nido d’ape super-forte.
Con il reticolo a nido d’ape che sostituisce il materiale solido all’interno di un pistone, IAV Automotive Engineering afferma che la massa è stata ridotta di circa il 25% rispetto al processo di fusione tradizionale.
Secondo l’azienda, “Oltre alle minori emissioni, la tendenza per i motori dei veicoli commerciali si sta spostando verso livelli di pressione più elevati nella camera di combustione che aumenta la potenza specifica. Per far fronte a carichi fino a 300 bar, i progettisti di IAV hanno fornito il nuovo pistone con una struttura a nido d’ape leggera, estremamente robusta allo stesso tempo. ”
Nel frattempo, un’altra società con sede a Berlino, BigRep, ha recentemente presentato il suo pneumatico per biciclette airless in scala 3D stampato. Il prototipo del pneumatico è stato stampato sulla stampante 3D di grandi dimensioni della BigRep ONE dell’azienda utilizzando il filamento Pro FLEX, che è flessibile e resistente, ma resistente alle alte temperature.
Secondo il product designer di BigRep, Marco Mattia Cristofori, “Siamo stati in grado di sostituire” aria “come una necessità nel pneumatico personalizzando il modello come uno di un disegno a nido d’ape a tre strati. Basato sullo stesso principio, il design può essere modificato per adattarsi alle esigenze di specifici tipi di ciclismo, come la mountain bike e le corse su strada, o per condizioni meteorologiche e di velocità diverse. Perfezionare il design è la parte più difficile. ”
Un pneumatico per biciclette airless stampato in 3D di BigRep
Torniamo agli ingegneri originali del nido d’ape, le api, e non è solo la struttura esagonale ad essere affascinante, ma anche il materiale in cera. È prodotto da quattro coppie di ghiandole di cera situate nella parte inferiore dell’addome dell’ape. La cera appare in piccole scaglie o scaglie e poi masticata da altre api per formare una cera malleabile. Non un’oncia è sprecata e tutti vengono utilizzati per il maggior bene dell’alveare. C’è molto che possiamo imparare dalle api!
