Design de estrutura biônica através de prototipagem e análise por elementos finitos baseada em microtomografia do bambu

Abstract

O bambu é considerado um dos materiais naturais com a melhor relação resistência por peso. Entre as características responsáveis encontram-se os feixes fibrosos do esclerênquima, que protegem os elementos de condução de água e solutos na planta, além de serem preenchidos pelo parênquima. Os feixes estão distribuídos gradual-mente, da parte interna à externa do bambu, aumentando a rigidez do colmo. Contudo, a morfologia da seção dos feixes fibrosos e a presença da matriz parenquimática no caule ainda não foram totalmente estudados, quanto à sua importância estrutural, nem aplicados em estruturas biônicas. Esse estudo trata do design de estruturas biônicas baseada na caracterização do bambu, por meio de técnicas não-invasivas, de proto-tipagem e de análise por elementos finitos. Um protocolo de amolecimento e secagem para secionamento foi seguido em uma amostra de bambu (Bambusa tuldoides Munro). A superfície da amostra foi analisada por microtomografia computadorizada de raios X de alta resolução. As imagens resultantes permitiram a segmentação dos tecidos constituintes e caracterização em nível celular. Os modelos 3D do parênquima e do esclerênquima foram discretizados para uma análise por elementos finitos não-linear. Os resultados mostraram que o parênquima é configurado como uma matriz celular de baixa densidade e que distribui as tensões em todos os elementos de re-forço na planta, sendo considerado um tecido com importante função estrutural. De mesmo modo, a geometria da seção dos feixes fibrosos apresentou um desempenho mecânico superior às seções referenciais. Ambas características foram aplicadas no desenvolvimento de duas estruturas biônicas, sendo analisadas como mais eficientes em comparação a um modelo da literatura, e impressas em 3D para análise visual.

Bamboo is considered one of the natural materials with the best strength-to-weight ratio. Among the features responsible for its properties are the sclerenchyma’s fiber bundles that protect the conducting elements of water and solutes in the plant, and are filled by parenchyma. Bamboo fibers are gradually distributed from the inner to the outer side of the plant, thus increasing the culm stiffness. However, the morphology of the section of the fiber bundles and the presence of the parenchymatic matrix in the stem have not been fully studied regarding its structural importance, neither applied in bionic structures. This study addresses the design of bionic structures based on the characterization of bamboo, by means of non-invasive techniques, rapid prototyping and finite element analysis. A bamboo sample (Bambusa tuldoides Munro) was col-lected and softening and drying protocols were followed for proper sectioning. The surface of the sample was analyzed by high-resolution X-ray microcomputed tomog-raphy. Resulting images allowed the segmentation of the sample’s constituent tissues and the characterization at a cellular level. The 3D models of the parenchyma and sclerenchyma were discretized for a non-linear finite element analysis. The results showed that the parenchyma is set as a low-density cellular matrix by distributing the stresses among all reinforcement elements in the plant, being considered a tissue with great structural importance. Likewise, the shape of the fiber bundles’ section showed superior mechanical performance compared to reference sections. Both characteris-tics were applied in the development of two bionic structures that were analyzed as more efficient than a literature model, and 3D printed for a visual analysis.