|Série Estruturas celulares: A engenharia imitando cada vez mais a natureza| #3 – Como criar estruturas celulares e avaliar seu desempenho mecânico? (V.6. N.9. P.5, 2023)

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Como avaliar desempenho mecânico de estruturas celulares?

A diversidade de padrões celulares usados para criação de estruturas celulares pode ser muito grande e sua geometria pode determinar o desempenho mecânico para específicas condições de carga. Por exemplo, algumas estruturas celulares com grande resistência mecânica quando comprimido, pode apresentar baixa resistência quando flexionado. O problema é que a simples vista não é possível reconhecer qual estrutura celular tem melhor  desempenho do que outra para uma aplicação específica. Para saber qual estrutura celular é melhor para certa aplicação, em primeiro lugar é imprescindível especificar claramente as condições de carga para depois verificar quais estruturas tem melhor desempenho em tais condições.

Assim, estruturas celulares podem ser classificadas dependendo da sua capacidade de suportar cargas de gravidade, compressão, torção, tração, flexão, cisalhamento ou até mesmo uma combinação de algumas delas. Além disso, outros fatores importantes são a direção de aplicação da carga e como a carga é aplicada ao longo do tempo (aplicada lentamente, subitamente, forma pulsante etc.).

Vale ressaltar que, nos dias de hoje não existe um método padronizado para medir o desempenho mecânico das estruturas celulares para qualquer carga. Portanto, para avaliar este desempenho, é necessário projetar testes mecânicos específicos onde corpos de prova possam ser submetidos a cargas similares àquelas esperadas em serviço. Estes testes podem envolver protótipos físicos submetidos a testes experimentais ou simulação numérica dos testes usando protótipos virtuais desenvolvidos com ferramentas computacionais de análise de engenharia (CAE).

(a) Simulação numérica da aplicação de forças em estrutura celular para avaliar sua resistência mecânica; (b) Corpo de prova fabricado por impressão 3D

Como criar estruturas celulares?

Atualmente, estão sendo lançados no mercado cada vez mais programas comerciais que permitem a implementação de uma ampla diversidade de estruturas celulares em diversos tipos de componentes e produtos de engenharia. Dentre os programas mais conhecidos com foco nestas funcionalidades estão o nTopology, Materialise 3-matic, Autodesk Within, Within Medical, Autodesk Netfabb, Altair Inspire, entre outros.

Interface do programa nTopology, programa orientado para design de estruturas celulares

O desenvolvimento destas novas funcionalidades para o design e introdução de estruturas celulares se deve principalmente ao avanço recente nas tecnologias de manufatura avançada, particularmente as tecnologias de manufatura aditiva, que permitem a fabricação de componentes de alta complexidade geométrica com certa
facilidade em materiais metálicos e poliméricos.

Além de fabricar estruturas celulares, as tecnologias de manufatura aditiva também conseguem fabricar outros tipos de estruturas complexas, como aquelas desenvolvidas usando algoritmos de design generativo. Fazendo uso de análise estrutural pelo método dos elementos finitos junto com inteligência artificial, estes algoritmos permitem
basicamente modelar estruturas mecânicas de forma que coloca material onde precisa ser mais resistente e retira material onde não precisa assim deixando a estrutura mais leve. Este é o mesmo princípio usado pela natureza para tornar os organismos estruturalmente mais eficientes. Alguns destes algoritmos exploram também o uso de estruturas celulares para deixar uma estrutura mais leve sem por isso retirar completamente o material.

Estruturas orgânicas desenvolvidas por design generativo da estrutura chassi de motocicleta e de cadeira ergonômica explorando o uso de estruturas celulares

À medida que as tecnologias de fabricação avançada e as ferramentas computacionais de design vão evoluindo, se popularizando e sendo mais acessíveis para os profissionais de engenharia, espera-se que as estruturas celulares estejam cada vez mais presentes no nosso cotidiano em produtos de consumo massivo e não unicamente restritas a
aplicações de tecnologia de ponta de altíssimo custo como nos equipamentos de proteção esportivos customizados de alto desempenho ou componentes para a indústria aeroespacial.

Assim, pode-se imaginar que à medida que passa o tempo vejamos os equipamentos que nos rodeiam como a nossa bicicleta, o nosso carro ou inclusive nossos eletrodomésticos adotando formatos cada vez mais orgânicos e estruturalmente mais eficientes com estruturas cada vez mais parecidas às observadas na natureza. Na história recente do ser humano, por muitos anos, os avanços tecnológicos do ser humano foram nutrindo uma visão futurística da vida humana cheias de formas retas, metálicas e polidas dando uma impressão de perfeição geométrica impecavelmente brilhante.

Porém, é mais provável que a aparência do futuro tecnológico do ser humano tenha mais a ver com um retorno às
formas orgânicas, que imitem cada vez mais as formas da natureza. Nesse sentido, como afirmam muitos místicos, é provável que o futuro do homem não esteja na frente, senão atrás, ou seja, cada vez nos aproximando mais àquilo que são as nossas raízes, de onde viemos.

Este foi o último post da série Estruturas celulares: A engenharia imitando cada vez mais a natureza. Gostou? Deixe um comentário aqui para a gente!