Universiteit Stellenbosch
Welkom by Universiteit Stellenbosch
Mooi sowel as funksioneel – die rol van bionabootsing in laag-op-laag vervaardiging
Outeur: Prof Anton du Plessis
Gepubliseer: 08/04/2019

Die tegnologie wat gebruik word in laag-op-laag vervaardiging, ook bekend as 3D-drukwerk, het die afgelope paar jaar groot ontwikkeling getoon. Dit is vandag moontlik om plastiek prototipes, sowel as funksionele meganiese onderdele vir eindgebruik te vervaardig uit 'n verskeidenheid van materiale waaronder polimere, saamgestelde materiale, keramieke en metale. Alhoewel die tegnologie baie duur is, is die voordeel hiervan dat komplekse ontwerpe gegrond op voorbeelde uit die natuur, deur middel hiervan nageboots kan word.

Bionabootsing of biomimicry is “innovasie geïnspireer deur die natuur", of alternatiewelik “die doelbewuste nabootsing van die natuur se briljantheid" [1]. Aangesien die natuur alreeds oor 'n tydperk van meer as 3,8 biljoen jaar komplekse, pragtige en funksionele strukture geöptimiseer het, is dit sinvol om hieruit te leer en die beginsels wat in die natuur gebruik word, ook te gebruik in ingenieursontwerpe. Laag-op-laag vervaardiging stel ons nou vir die eerste keer in staat om presies dit te kan doen – die ontwerp en vervaardiging van komplekse ontwerpe.

 'n Span navorsers gelei deur Prof Anton du Plessis van die department Fisika by die  Universiteit Stellenbosch, het 'n omvattende oorsigartikel geskryf oor die onderwerp van bionabootsing in laag-op-laag vervaardiging, met die fokus op onderdele vir funksionele eindgebruik. Die artikel getiteld “Beautiful and Functional: A Review of Biomimetic Design in Additive Manufacturing" is vandeesmaand in die vaktydskrif   Additive Manufacturing gepubliseer [2]. 

Die outeurs bied 'n opsomming en kategorisering van verskillende vorme van bionabootsing wat tans in hierdie veld gebruik word. Hulle lig die voordele van elke benadering uit met behulp van voorbeelde uit die onlangse literatuur. Die meeste van die voorbeelde is gerig op metaal onderdele wat gemaak is deur middel van 'n tegniek genaamd laser-poeierbed-binding, wat 'n spesiale vorm van laag-op-laag vervaardiging is en die vervaardiging van komplekse ontwerpe met baie detail moontlik maak. Die beginsels en veral die kategorisering van bionabootsingsbenaderings is egter van toepassing op álle vorme van 3D-drukwerk.

Figuur 1 toon 'n voorbeeld van 'n metaal onderdeel (titaan alooi) wat ontwerp is deur gebruik te maak van 'n kombinasie van twee bionabootsingsbenaderings: simulasie-gedrewe ontwerp en sellulêre ontwerp. Die simulasie-gedrewe proses begin met strukturele meganiese simulasies in 'n aanvanklike ontwerpruimte, ten einde areas wat onderskeidelik die hoogste en laagste stres ervaar, te identifiseer. Hierna word materiaal dan van die areas wat die minste stres ervaar, weggeneem. Hierdie proses word herhaal totdat 'n finale optimale ontwerp verkry is. Hierdie herhalende prosesse is soortgelyk aan evolusionêre prosesse in die natuur, waar elke herhaling 'n verbeterde struktuur lewer. Uiteindelik is die verkrygde sellulêre ontwerp soortgelyk aan die sellulêre strukture van kurk- of houtselle wat natuurlik in die natuur voorkom. Die mensgemaakte strukture word egter verder geoptimiseer ten einde ook meganiese sterkte te verseker.

Vir meer inligting hieroor, gaan na:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.03.033

Hoofouteur,Prof Anton du Plessis: anton2@sun.ac.za

Navorsingsgroep: http://blogs.sun.ac.za/duplessis/

Verwysings

[1]        J. Benyus, Biomimicry: Innovation inspired by nature, (1997). http://www.academia.edu/download/5239337/biomimicry-innovation-inspired-by-nature.pdf (accessed September 2, 2018).

[2]        A. du Plessis, C. Broeckhoven, I. Yadroitsava, I. Yadroitsev, C.H. Hands, R. Kunju, D. Bhate, Beautiful and Functional: A Review of Biomimetic Design in Additive Manufacturing, Addit. Manuf. (2019). doi:10.1016/J.ADDMA.2019.03.033.


 

Op die foto bo, 'n voorbeeld van 'n draagarm uit titaan wat deur die beginsels van bionabootsing gemaak is. Die voor die hand liggende voordeel is die ligte gewig van hierdie komponent in vergelyking met 'n komponent wat volgens tradisionele metodes vervaardig is. Die resultaat is beide esteties en funksioneel.