Ingeniører udvikler 3-D-printede metamaterialer, der ændrer mekaniske egenskaber under magnetiske felter

Et team af forskere har udviklet en helt ny klasse af metamaterialer, der næsten øjeblikkeligt kan reagere og stivne 3-D-printede strukturer, når de udsættes for et magnetfelt, en udvikling, der kunne anvendes på næste generations hjelme, bærbar rustning og en lang række andre innovationer.

De "feltresponsive mekaniske metamaterialer" (FRMM'er) anvender en viskøs, magnetisk reagerende væske, der manuelt sprøjtes ind i de hule stivere og bjælker i 3-D-printede gitter. I modsætning til andre formformende eller såkaldte "4-D-printede" materialer (den fjerde dimension er tid), den overordnede struktur af FRMM'erne ændres ikke. Væskens ferromagnetiske partikler, der er placeret i kernen af ​​bjælkerne, danner kæder som reaktion på det magnetiske felt, som afstiver væsken og gitterstrukturen som følge heraf. Denne reaktion sker hurtigt, på mindre end et sekund. Journalen Videnskabens fremskridt offentliggjorde undersøgelsen online i dag.

"I dette papir ønskede vi virkelig at fokusere på det nye koncept af metamaterialer med tunbare egenskaber, og selvom det er lidt mere en manuel fremstillingsproces, det fremhæver stadig, hvad der kan gøres, og det synes jeg er rigtig spændende, " sagde hovedforfatter Julie (Jackson) Mancini, en ingeniør ved Lawrence Livermore National Laboratory, som har arbejdet på projektet siden 2014.

"Det har vist sig, at gennem struktur, metamaterialer kan skabe mekaniske egenskaber, der nogle gange ikke eksisterer i naturen eller kan være meget designet, men når først du bygger strukturen, sidder du fast med de egenskaber, " Mancini sagde. "En næste udvikling af disse metamaterialer er noget, der kan tilpasse dets mekaniske egenskaber som reaktion på en ekstern stimulus. De findes, men de reagerer ved at ændre form eller farve, og den tid, det tager at få et svar, kan være i størrelsesordenen minutter eller timer. Med vores FRMM'er, den overordnede form ændres ikke, og svaret er meget hurtigt, som adskiller det fra disse andre materialer."

Mancini begyndte arbejdet på University of California Davis under sin masterrådgiver, materiale- og ingeniørprofessor Ken Loh, som nu er på University of California San Diego. Loh sagde, at konceptet delvist var inspireret af bilbaserede affjedringssystemer og startede med at se på måder at udvikle en fleksibel rustning, der er i stand til at forvandle eller ændre dens mekaniske egenskaber efter behov.

"Et af kriterierne er at opnå hurtig respons, og magnetiske felter og MR-materialer tilbyder denne evne, " sagde Loh, en professor i Institut for Strukturteknik ved Jacobs School of Engineering ved UC San Diego.

Loh sagde, at forskere vil undersøge nye måder at udvikle et enfaset materiale på, i stedet for at have en væske indlejret i fast stof, og højere ydeevne-til-vægt-forhold, tilføjer, at fremtidigt arbejde "kan føre til nye teknologier, såsom fleksibel rustning til krigskæmperen, der stivner øjeblikkeligt, når en trussel opdages."

Forskere injicerede en magnetoreologisk (MR) væske i hule gitterstrukturer bygget på LLNL's Large Area Projection Microstereolithography (LAPµSL) platform, som 3-D-printer objekter med mikroskalafunktioner over brede områder ved hjælp af lys og en lysfølsom polymerharpiks. Den nye form for dynamisk afstembart metamateriale skylder meget af sin succes til LAPµSL-maskinen, Mancini sagde, fordi de komplekse rørformede gitterstrukturer skulle fremstilles med tynde vægge i forhold til strukturens samlede størrelse, og i stand til at holde væsken indeholdt, mens den modstår det tryk, der genereres under påfyldningsprocessen og reaktionen på et magnetfelt.

Når først den magnetisk reagerende væske er inde i gitterstrukturerne, påføring af et eksternt magnetfelt får væsken til at stivne, og de overordnede 3-D-printede strukturer stivner efterfølgende næsten øjeblikkeligt. Ændringen er let reversibel og meget tunerbar ved at variere styrken af ​​det påførte magnetfelt, sagde forskere.

"Det, der virkelig er vigtigt, er, at det ikke kun er et tænd og sluk-svar, ved at justere den anvendte magnetiske feltstyrke kan vi få en bred vifte af mekaniske egenskaber, " sagde Mancini. "Ideen om på farten, fjernindstilling åbner døren til en masse applikationer."

Mancini sagde, at teknologien kunne være nyttig til stødabsorbering - f.eks. bilsæder kunne have væskereagerende metamaterialer integreret indeni sammen med sensorer til at registrere et styrt, og sæder ville stivne ved stød, potentielt reducere passagerbevægelser, der kan forårsage piskesmæld. Det kan også anvendes til næste generations hjelme eller nakkebøjler, hus til optiske komponenter og blød robotteknologi, blandt mange andre applikationer.

For at forudsige, hvordan vilkårlige MR-væskefyldte gitterstrukturer ville reagere på et påført magnetfelt, tidligere LLNL-forsker Mark Messner (nu stabsingeniør ved Argonne National Laboratory) udviklede en model fra enkeltstivertest.

Startende med en model, han udviklede på LLNL, der forudsiger de mekaniske egenskaber af ikke-afstembare statiske gitterstrukturerede materialer, Messner tilføjede en repræsentation af, hvordan MR-væske påvirker et enkelt gitterelement under et magnetfelt og inkorporerede modellen af ​​en enkelt stiver i et design til enhedsceller og gitter. Derfra, han var i stand til at kalibrere modellen til eksperimenter Mancini udførte på væskefyldte rør svarende til stivere i gitterne. Holdet brugte modellen til at optimere topologien af ​​gitteret, at finde de strukturer, der ville resultere i store ændringer i mekaniske egenskaber, da magnetfeltet blev varieret.

"Vi kiggede på elastisk stivhed, men modellen (eller lignende modeller) kan bruges til at optimere forskellige gitterstrukturer til forskellige slags mål, Messner sagde. "Designrummet af mulige gitterstrukturer er enormt, så modellen og optimeringsprocessen hjalp os med at vælge sandsynlige strukturer med gunstige egenskaber før (Mancini) trykt, fyldt op, og testede de faktiske prøver, hvilket er en langvarig proces."

Mancini sagde, at hun og hendes team vil fortsætte med at arbejde hen imod udskrivningsstrukturer med den magnetiske felt-responsive væske indbygget for at eliminere den manuelle påfyldningsfase, og på at øge den samlede størrelse af strukturerne.