מבני סנדוויץ' רב-שכבתיים ביונשאים המיוצרים בתוספת עם תצורות ליבה משתנות תחת דחיסה מחוץ למישור

מדוע מגן מפגיעה בהשראת הטבע חשוב

ממשזהיות חיבוי של מכוניות ועד תאיות מטוסים, ברבים מהרכבים המודרניים נעשה שימוש בפנלי "סנדוויץ'" נסתרות שצריכות להיות קלות ובאותו זמן מסוגלות לספוג כוחות עצומים בהתנגשות. המחקר הזה בוחן מחלקה חדשה של פנלים כאלו שמושרת לצורה המחוספסת והמגנה של הסופית שמקיפה חרצית האלון. על‑ידי העתקת הצורה הטבעית הזו בהדפסת תלת‑ממד וכיוונון מדויק של התבנית הפנימית, החוקרים מראים כיצד לבנות מבני פלסטיק קלים, להיפטריים ולמעט יעילים יותר בריכוך פגיעות.

לומדים מעץ האלון

נקודת ההתחלה היא כוסית האלון, הקליפה קשקשת שמטפחת את החרצית כשהיא נופלת. בטבע הקליפה הזו מפזרת כוחות פגיעה דרך רשת של קירות דקים וחללים. הצוות תרגם את הרעיון הזה לפנלים מלאכותיים שבנו כמו סנדוויץ': שתי לוחות חיצוניים שטוחים וקשים עם ליבת חללית ומעוצבת במרכז. במקום קצף, הליבה בנויה מרבים צורות תאיות קטנות, מסודרות במספר שכבות. הצורות נבחרו כדי לחקות דפוסים הנצפים בטבע ולבחון אילו מהן מתמודדות עם כוחות כתישה באופן החלק ביותר.

בניית ליבות מורכבות באמצעות הדפסת תלת‑ממד

כדי להפוך את העיצובים הללו לחלקים ממשיים, החוקרים השתמשו בתהליך הדפסת תלת‑ממד מבוסס אבקה הנקרא Multi Jet Fusion, בעבודה עם פלסטיק הנדסי קשוח הידוע כ‑Nylon PA12. שיטה זו יכולה לייצר תבניות פנימיות מסובכות ללא דבק או בולטים, כך שהלוחות והליבה נוצרים כגבוש יחיד. הצוות הדפיס פנלים רב‑שכבתיים שליבותיהם עוקבות אחרי ארבעה סידורים בסיסיים: תאים רומביים, משושה, מרובעים ומעגליים. הם גם שינו את גודל כל תא, את המרחק בין התאים השכנים, והאם השכבות הגליוניות היו מונחות באותה כיוון או מסובבות משכבה לשכבה.

מבחני כתישה ומה שהם חושפים

לאחר מכן סחטו את הפנלים באיטיות בין לוחות פלדה שטוחים תוך מדידת כוח וירידה. ניסויים אלה מדמים את מה שקורה כאשר קיר או רצפה ברכב נלחצים מבחוץ במהלך התנגשויות. בתחילה, כל פנל מגיב באופן אלסטי וחוזר לצורתו כשמסירים את הכוח. ככל שהעומס גדל, הקירות הפנימיים הדקים מתחילים להתכופף, להיכנע ולהיסדק, והפנל נכנס ל"מישור" ארוך שבו הוא ממשיך לספוג אנרגיה תוך כדי התמוטטות מבוקרת. על‑ידי מעקב אחר עקומת הכוח והשטח מתחתיה, הקבוצה חישבה הן את סך אנרגיית הספיגה והן את האנרגיה הספוגה לגרם חומר — מדד מרכזי בעיצובים רגישי משקל.

אילו צורות עובדות הכי טוב

התבניות הרומביות והמשושה בלטו. פנלים בעלי ליבות רומביות ספגו כ‑440 ג'ול עם האנרגיה הגבוהה ביותר לגרם, בעוד שליבות משושתיות התקרבו ברמה. הקירות המאוינים או מחוספסים שלהם מספקים מסלולים רבים לזרימת כוחות, מעודדים קיפול הדרגתי במקום כישלון פתאומי. ליבות מרובעות ומעגליות ספגו פחות אנרגיה משמעותית, בחלקן כי פינות חדות או קירות מעוקלים לחלוטין מרוכזים מתחים ומפעילים התמוטטות מקומית מוקדמת. הקטנת כל תא, תוך שמירה על גודל פנל כולל קבוע, העלתה את שיא הכוח ואת האנרגיה הספוגה עבור ליבות מעגליות ומשושתיות. הגדלה מתונה של הרווח בין התאים עיכבה עוד יותר אינטראקציות בין הקירות השכנים והאריכה את שלב הקריסה העדין.

שכבות שעובדות יחד

אופן ערימת השכבות משחק גם הוא תפקיד מרכזי. כשכל הגלים כיוונו לאותו כיוון, קירות תאים רבים כשלו בבת אחת, מה שהוביל לנפילות חדות בעומס. סיבוב כל שכבה ביחס לשכבה הבאה פיזר את היציבות הלא יציבה לאורך עובי הפנל. הסידור המתחלף הזה אילץ העברת עומסים משכבה לשכבה והגביר חיכוך והחלקה ביניהן. גם בליבות מעגליות וגם במשושתיות, התבנית המתחלפת הגבירה את ספיגת האנרגיה הכוללת בכ‑20% כ בערך והעלתה את האנרגיה לגרם ביותר מעשרה אחוזים. ליבות משושתיות עם תאים קטנים, רווחים רחבים ושכבות מתחלפות סיפקו את הביצועים המאוזנים ביותר, ששילבו חוזק שיא גבוה עם ריכוך יעיל מאוד.

מה משמעות הדבר עבור מבנים קלים ובטוחים יותר

עבור קורא שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא שהתבנית הפנימית וסידור השכבות בתוך פנל יכולים להיות חשובים לא פחות מכמות החומר שבשימוש. על‑ידי הלוואת מוטיבים מכוסית חרצית האלון וייצורם בהדפסת תלת‑ממד, הקבוצה מראה כי תאים מעוצבים ומסודרים בחוכמה יכולים להפוך יריעת פלסטיק קלה לסופג פגיעות יעיל מאוד. פנלים כאלה עשויים לסייע לרכבים, רכבות ומטוסים בעתיד להגן טוב יותר על אנשים תוך שמירה על צריכת דלק ומחזור חומרים נמוכים.

ציטוט: Taghizadeh, S., Cheng, L., Askari, M. et al. Additively manufactured bioinspired multilayer sandwich structures with varied core configurations under out-of-plane compression. Sci Rep 16, 15833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41021-4

מילות מפתח: מבנים ביונשאים, פנלי סנדוויץ', ספיגת אנרגיה, ייצור בהוספה, עמידות בהתנגשויות