Search

Can you print your own DNA? Strengthen your 3D printed models using bionics

Spread the love
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Can you print your own DNA? Strengthen your 3D printed models using bionics
5 (100%) 2 votes

{:en}

Wilbur used to study the motion of birds. The warping of their wings sparked him the idea to use the same principle to achieve lateral control of his flying machine. Yes, we are talking about Wilbur Wright, one of the Wright brothers, one of the first inventors of today’s aeroplane. When a kingfisher darts into water in search of a meal, it hardly creates a ripple. This shape of its beak inspired Eiji Nakatsu, a Japanese engineer to design the front shape of high speed bullet trains. There are innumerable inventions that have been inspired from nature and natural phenomena, the source of which remain hidden under plain sight. But producing an artificial component imitating nature’s construction isn’t easy; infinite curvatures and intricate geometries make any manufacturing expert groan. Probably the best potential solution has appeared in the form of 3D printing, to break the conventional barriers and take us into a new range of things around us.

Bionics
The Association of German Engineers (VDI) defines the term bionics as “learning from the design, methodology and development principles of nature for a positive interconnectedness of people, environment and technology”. It means understanding the natural principles of ingenious biological structures which have developed in the course of 3.8 billion years of evolution, and adapting these principles in any of our technical applications. The application could be related to materials, mode of action, overall structure, design or management in any field. Just shifting the traditional perspective into something completely different opens up an entirely new world of innovations. Have you ever wondered how your bones are so strong despite being so light in weight?

3D printing reinforces bionics
3D printing has rightly captured this ocean of bionics with its intricate geometrical capabilities. The ability to generatively build a part layer by layer has made it possible to produce complicated geometries of nature. How in the world would it be possible to produce such a structure as shown below, had there been no 3D printing?

Cellular structure
Cellular structure

The honeycomb structure is one of the most well-known bionic -inspired forms, found to possess high strength besides being of low weight (known as high strength to weight ratio). Pappus of Alexandria, a 4th century Greek mathematician said, "By virtue of a certain geometrical forethought ... (bees) know that the hexagon is greater than the square and the triangle and will hold more honey for the same expenditure of material in constructing each". And 3D printing slicers have this inherent hexagonal infill pattern which provides an optimum proportion between strength and volume of the material.

Honeycomb structure
Honeycomb structure

Sometimes we get fascinated by the might of tiny micron-size creatures which are even hardly visible to naked eyes. Recently I wanted to build a small bridge using 3D printing, to be light in weight as well as to carry heavy loads. The best results were found by design inspired from diatoms. Diatoms are a group of algae commonly found in oceans, freshwater and damp surfaces. The silicified cell walls in the form of two shells, called frustule, are known to provide enough strength and protect them against aquatic predators. Arachnoidiscus is one of the species of diatoms, known to be light and highly stable. It has a hierarchical cell structure with a thick outer surface, connected to the central portion through radial ribs having relatively lesser wall thickness.

Diatoms and Arachnoidiscus species
Diatoms and Arachnoidiscus species

This hierarchical cell structure of Arachnoidiscus was used to print the central beam portion of the bridge. The cellular structure provided cavities at the centre that reduced the weight, and reinforcements at the edges increased the strength. Adapting such structures into the bridge made the design look as shown below.

bionic bridge

For the support column of the bridge, design inspired from underwater light weight tree column structures was used. These structures have shapes like voids or bubble foam, into which air masses get entrapped and maintain stability. Utilising these structures made the column look as shown below.

Columns

Hence adapting bionics into design and production of 3D printed parts provided low material consumption and good strength, not to mention the additional curvy aesthetics. There are infinite possibilities to extract information from nature and utilise in our designs. Tall trees, tiny grass, beautiful flowers, deep sea fishes, majestic mountains, etc. The list is a never ending one. What makes us human beings special and different compared to other living organisms? (Let’s ignore the so called sixth sense of course). How do we possess so much flexibility, strength, agility, high degrees of freedom, and other such physical characteristics? Is it not possible to tap our own secret into our designs and produce innovative bionic 3D printed environment?

{:}{:es}Wilbur estudiaba el movimiento de las aves. La deformación de las alas le provocó la idea de usar el mismo principio para lograr el control lateral de su máquina voladora. Sí, estamos hablando de Wilbur Wright, uno de los hermanos Wright, uno de los primeros inventores del aeroplano moderno. Cuando Kingfisher lanza su pico al agua en busca de una comida, apenas crea una ondulación. Esta forma de su pico inspiró Eiji Nakatsu, un ingeniero japonés para diseñar la forma delantera de los trenes bala de alta velocidad. Hay innumerables invenciones que se han inspirado en la naturaleza y los fenómenos naturales, la fuente, la cual permanece oculta a plena vista de todos. Sin embargo, la producción de un componente artificial que imite a la  naturaleza no es fácil; curvaturas infinitas y complejas geometrías tienen a cual quier inventor gimiendo y llorando. Probablemente la mejor solución potencial ha aparecido en forma de la impresión en 3D, rompiendo las barreras convencionales y llevarnos a una nueva gama de cosas que nos rodean.

Bionics

La Asociación de Ingenieros Alemanes (VDI) define a la biónica como como "aprendizaje a partir de los principios de diseño, metodologías y desarrollos de la naturaleza para una interconexión positiva de las personas, el medio ambiente y la tecnología". Significa entender los principios naturales de las estructuras biológicas ingeniosas que se han desarrollado en el curso de 3,8 mil millones de años de evolución y la adaptación de estos principios en cualquiera de nuestras aplicaciones técnicas. La aplicación podría estar relacionada con los materiales, modo de acción, estructura general, el diseño o la administración en cualquier campo. Simplemente cambiando la perspectiva tradicional en algo completamente diferente se abre todo un nuevo mundo de innovaciones. ¿Alguna vez se preguntó cómo sus huesos son tan fuertes a pesar de ser tan ligero de peso

La impresión 3D refuerza la biónica

La impresión 3D ha capturado con razón este océano de la biónica con sus capacidades geométricas complejas. La capacidad de construir generativamente  capa por capa ha hecho que sea posible producir geometrías complicadas de la naturaleza. ¿Cómo en el mundo sería posible producir una estructura tal como se muestra a continuación, si no hubiera existido la impresión en 3D?

Cellular structure
Estructura Celular

La estructura de nido de abeja es una de las formas inspiradoras de biónica más conocidas, encontrado que poseen alta resistencia además de ser de bajo peso (conocida como alta resistencia al cociente de peso). Pappus de Alejandría, un matemático griego del siglo cuarto, dijo: "En virtud de una cierta previsión geométrica ... (abejas) saben que el hexágono es mayor que el cuadrado y el triángulo y se mantendrá más miel para el mismo gasto de material en cada construcción". Y las cortadoras de impresión 3D tienen este patrón de relleno hexagonal inherente que proporciona una balance óptimo entre la fuerza y el volumen del material.

Honeycomb structure
Estructura de panal de abeja

Algunas veces estamos fascinados con la fuerza de pequeñas criaturas de tamaño micrométrico que son aún poco visibles a simple vista. Recientemente quería construir un pequeño puente utilizando la impresión 3D, para ser ligero en peso, así como para llevar cargas pesadas. Los mejores resultados fueron encontrados en un diseño inspirado de diatomeas. Las diatomeas son un grupo de algas se encuentran comúnmente en los océanos, el agua dulce y las superficies húmedas. Las paredes de las células silidificadas en la forma de dos conchas, llamados frustule, son conocidos por proporcionar la suficiente fuerza y protegerlos contra los depredadores acuáticos. Arachnoidiscus es una de las especies de diatomeas, que se sabe que la luz y muy estable. Tiene una estructura celular jerárquica con una superficie exterior de espesor, conectado a la porción central a través de nervios radiales que tienen espesor de pared relativamente menor.

Diatoms and Arachnoidiscus species
Diatoms y Arachnoidiscus

 

Esta estructura celular jerárquica de Arachnoidiscus se utilizó para imprimir la parte del haz central del puente. La estructura celular proporciona cavidades en el centro que reducen el peso, y refuerzos en los bordes aumentando la resistencia. La adaptación de este tipo de estructuras en el puente como se muestra en el diseño a continuación.

bionic bridge

Para la columna de soporte del puente, el diseño fue inspirado en las estructuras de las columnas de árboles acuaticos. Estas estructuras tienen formas como huecos o burbujas de espuma, en la que las masas de aire quedan atrapadas  manteneniendo la estabilidad. Utilizando estas estructuras hechas se muestra la columna a continuación.

Columns

La adaptación de la biónica en el diseño y producción de piezas impresas en 3D proporciona un bajo consumo de material y buena resistencia, por no hablar de la estética de curvas adicionales. Existen infinitas posibilidades para extraer información de la naturaleza para utilizar en nuestros diseños. Los árboles altos, pequeña hierba, hermosas flores, peces de aguas profundas, majestuosas montañas, etc. La lista es interminable un uno. ¿Qué nos hace seres humanos especiales y diferentes en comparación con otros organismos vivos? (Vamos a ignorar el llamado sexto sentido, por supuesto). ¿Cómo es que poseemos tanta flexibilidad, la fuerza, la agilidad, los altos grados de libertad, y otras características físicas? ¿No es imposible aprovechar nuestro propio secreto en nuestros diseños y producir entorno innovador de impresiones biónicas en 3D?

{:}


Spread the love
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
Profile photo of Chola

Written by 

Engineer and 3D printing enthusiast, experimenting with technologies and materials associated with additive manufacturing

Related posts

Leave a Comment