Topologi optimering og 3-D print multimateriale magnetiske aktuatorer og displays

I materialevidenskab og anvendt fysik, forskere forventer, at aktiveringssystemer fungerer på samme måde som naturlige fænomener. Som et klassisk eksempel, videnskabsmænd foreslog at konstruere bioinspirerede materialer, der efterlignede camouflage af blæksprutter, selvom konstruktion af sådanne højt integrerede systemer kan være udfordrende på grund af den kombinerede kompleksitet i at generere højdimensionelle arkitektoniske designs og multifunktionelle materialer forbundet med deres fremstillingsproces. I en nylig rapport vedr Videnskabens fremskridt , Subramanian Sundaram og kolleger i afdelingerne for datalogi, kunstig intelligens og elektroteknik i USA og Frankrig præsenterede en komplet protokol om multi-objektiv topologioptimering og multimateriale drop-on-demand tredimensionel (3-D) udskrivning for at udvikle komplekse aktuatorer.

Aktuatorerne indeholdt bløde og stive polymerer koblet til en magnetisk nanopartikel/polymer-komposit, der reagerede på et magnetfelt. Topologioptimeringsværktøjet kunne tildele materialer til individuelle voxels for at forbedre det fysiske udseende i høj opløsning. Da de forenede den topologioptimerede designstrategi med multimaterialefremstillingsprocessen, Sundaram et al. kunne konstruere komplekse aktuatorer som en lovende vej mod automatiseret og målstyret fremstilling.

Moderne robotter kræver aktuatorer, der integrerer flere funktioner sammen inde i en enkelt pakke for optimeret højde, energieffektivitet, topologi, størrelse og andre præstationsmålinger. Denne idé ligger til grund for forskningsforslag, der går ind for en tæt integration af sansning, aktivering og beregning med robotmaterialer. Forskere diskuterer stadig, om robotter vil være kroppe med hjerner eller hjerner med kroppe, og derfor mangler der at blive etableret en sondring mellem materialer og maskiner. Det nye paradigme med robotmaterialer kræver, at robotdele er designet til flere funktioner og optimeret til flere formål som med naturlige organismer.

Udfordringen med at reproducere bioinspirerede multifunktionelle systemer er fortsat designet af aktiveringssystemer. I det klassiske eksempel på et aktiveringssystem for en blæksprutte, den samtidige kontrol af både fysiske afbøjninger og højopløseligt udseende resulterer i effektiv biologisk camouflage. At gengive en sådan sømløst integreret aktivering i laboratoriet er besværligt på grund af kompleksiteten i at skabe et højdimensionelt designrum og fremstille disse designs med nye materialer og friformsgeometrier.

I nutidige eksempler på aktiveringssystemer, materialeforskere har udviklet en digital mikrospejlenhed med millioner af identiske aktuatorer og et 'tusindbenet' datalagringssystem med høj tæthed med mikroelektromekaniske systemudkragere. Optimering af disse aktiveringssystemer til strømforbrug, lavt fodaftryk og procespålidelighed er tidskrævende, mens uensartede aktuatorarrays præsenterede yderligere kompleksitet i laboratoriet. Som et lovende alternativ, topologioptimeringsteknikker tilbyder automatisk optimerede materialelayouts i et givet designrum.

I nærværende arbejde, Sundaram et al. brugt en simuleret udglødningsstrategi, der tidligere blev brugt som en vellykket topologioptimeringstilgang til at designe truss-strukturer. Selvom det i teorien er meget generisk, tilgangen anså specifikke forhold ved problemet til at være effektiv i praksis. I den nuværende tilgang, Sundaram et al. overvejet materialernes rolle, hvor teknikken var fuldt fabrikationsbevidst. Den foreslåede undersøgelse i høj opløsning, multifysik og fabrikationsbevidst topologioptimeringsramme er en første strategi implementeret i dette arbejde.

Forskerne brugte en præcisionsfremstillingsproces, der var i stand til at håndtere højdimensionelle designs til at fremstille den syntetiske aktuator. Derefter, de valgte en hurtig additiv 3D-fremstillingstilgang til aktuatorfremstilling for at producere præcise, komplekse strukturer med forskellige materialer. Den stigende interesse for 3-D printede aktuatorer skyldes deres hastighed og anvendelighed i mikro-/mesoskala robotteknologi.

Forskere havde tidligere undersøgt egenskaben ved magnetisk aktivering for blødt stof på grund af gunstig skalering, høj aktiveringskrafttæthed og ubundet aktivering. Sundaram et al. forenet en biomimetisk evolutionær optimeringsteknik med en automatiseret multimateriale additiv fremstillingsproces for hurtigt at designe og fremstille højdimensionelle aktuatorer i dette arbejde. Tilgangen kunne i sidste ende tillade fuldautomatisk fremstilling af højdimensionelle designs, hvilket er et langsigtet mål inden for robotteknologi.

Forskerne implementerede den tilpassede drop-on-demand 3D-printproces for at optimere hele fremstillingspipelinen og udføre fremstillingsbevidste forbedringer. De designede en specifik aktuator i en plan, stiv struktur med syntetiske celler udfyldt med en transparent stiv polymer eller en mørk magnetisk responsiv polymer. Topologioptimeringsværktøjet styrede placeringen af ​​de to materialer i forhold til deres materialeegenskaber for optimale applikationer. Sundaram et al. kombinerede derefter en brugerdefineret multimateriale drop-on-demand 3-D printproces med multi-objektiv topologioptimering for at konstruere de højdimensionelle aktuatordesigns i laboratoriet. De skabte et sæt ultraviolet (UV)-hærdende blæk med en række forskellige effekter, der inkluderer optiske, magnetiske og mekaniske egenskaber, karakteriserede derefter prøverne for at generere et ejendomsbibliotek.

Forskerne brugte en specialbygget inkjet-baseret multimateriale 3-D-printer. De brugte en stiv acrylatpolymer (RIG), en elastisk acrylatpolymer (ELA) og en magnetisk nanopartikelpolymerkomposit (MPC) sammen med optimeret startblæk til inkjet-printprocessen. Efter blækaflejring, de brugte en UV-lysemitterende diode (LED) array til at tværbinde blækket via fri-radikal fotopolymerisation. De tre materialer indeholdt vidt forskellige elasticitetsmoduler og materialeegenskaber, hvilket gjorde det muligt for dem at lave bløde samlinger og stive strukturer til brug som aktuatorer. Forskerne demonstrerede deres evner og fremstillede en række multimateriale aktuator-arrays som manuelt designet. De cyklede de designede og konstruerede aktuatorer i mindst 1000 cyklusser uden forringelse af ydeevnen.

Sundaram et al. undersøgte anvendelserne af 3-D printede multimateriale-baserede bløde magnetiske aktuatorer ved hjælp af en elektromagnet drevet af en strømkilde til at generere et afstembart magnetfelt. Som et proof-of-concept, de udviklede fire individuelle kronblade til magnetisk aktivering på en luft-vand-grænseflade, hvor kronbladene dukkede op fra vandgrænsefladen. For gentagelig aktivering, de placerede de udskrevne prøver ved en silikoneolie-vand-grænseflade. Disse manuelt designede eksempler var de første til at fremhæve multimateriale additiv fabrikation kombineret med magnetisk aktivering. Strategien sømløst integreret multimateriale udskrivning og topologioptimering for at demonstrere unikke, optiske egenskaber med høj opløsning.

Forskerne optimerede multi-objektiv topologi ved hjælp af simuleringssoftware til at forstå fordelingen af ​​MPC (Magnetic nanopartikel polymer composite) celler til magnetisk aktivering. De anvendte derefter metoden på to forskellige billeder af malerier, der omfattede et selvportræt af Van Gogh og "Skriget" af Munch. Efter at have anvendt topologioptimeringsrammerne, de kontrollerede magnetisk aktivering med et påført magnetfelt for gradvist at overføre billeder fra Van Gogh- til Munch-portrættet ved at øge hældnings-/afbøjningsvinklerne. Forskerne karakteriserede derefter den topologioptimerede aktuator med langtidstest.

På denne måde Subramanian Sundaram og kolleger udviklede en topologioptimering, der matcher målets optiske egenskaber og dets vippevinkler. Forskerne koblede desuden en drop-on-demand inkjet-baseret 3-D-udskrivning med optimeringsteknikken for at konstruere topologioptimerede designs og generere optiske egenskaber i høj opløsning. Selvom der er udfordringer i udviklingen af ​​nye blæk og materialer, de kunne fremstille en bred vifte af materialer ved hjælp af processen.

Forskerne kan designe hele fabrikationspipelinen for øget kontrolfrihed med fabrikationsbevidst optimering. Den topologioptimerede aktuator og det medfølgende fremstillingsværktøjssæt kan bruges til at designe aktuatorer med sensorer og grundlæggende computerelementer for at opnå den langvarige vision om multifunktionelle robot/autonome kompositter med storskala integration og selvforsyning. Når videnskabsmænd yderligere udforsker disse grundlæggende strategier, de vil være i stand til at danne multifunktionelle aktuatorer med minimal menneskelig indgriben.

© 2019 Science X Network