Eksperimenter validerer modeller, der forudsiger fejltilstande i miniaturiserede lette strukturer

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har tilpasset teoretiske modeller til at forudsige fejladfærden i miniaturiserede 3-D gitterstrukturer og har brugt avancerede karakteriseringsteknikker til at demonstrere, at disse fejl eksisterer.

Specifikt, forsøg viste en overgang i fejltilstande for stræk-dominerede gitterstrukturer ved lave relative tætheder. At forstå den dominerende fejltilstand er afgørende for udbredelsen af ​​lette mikrobøjler, da det påvirker strukturens energiabsorberingskapacitet.

Letvægts gitterstrukturer, som bindingsværk, har været brugt i århundreder - tænk på bukkebroer og Eiffeltårnet som almindelige eksempler - på grund af deres lave tæthed og høje specifikke styrke og stivhed. Med additiv fremstilling (3D-udskrivning), disse typer strukturer kan miniaturiseres til betydeligt mindre længder. Imidlertid, forskere var ikke sikre på, om modeller, bruges til at forudsige fejladfærd i store letvægtsstrukturer, ville holde op med de mindre længder.

LLNL -forskere Mark Messner (nu ved Argonne National Laboratory) og Holly Carlton har offentliggjort disse resultater i Journal of Mechanics and Physics of Faststoffer og Acta Materialia , henholdsvis. Messner brugte en nyudviklet ækvivalent kontinuummodel til at forudsige fejladfærd i fagkonstruktioner. Denne metode, anvendt på standard celletopologier, forudser en afvejning mellem en mere yndefuld udbytte-domineret og en katastrofal knæk-domineret fiaskotilstand ved en kritisk relativ tæthed. Imidlertid, den kritiske relative tæthed, der forudsiges i hans teoretiske model, afhænger af flere modelleringsantagelser, der er stærkt påvirket af fremstillingsprocessen.

På dette tidspunkt, Carlton udførte kvasi-statiske kompressionstest kombineret med in situ tomografi ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source. Disse eksperimenter på miniaturiserede 3D-trykte strukturer fangede realtidsdeformation i enhedscellegitterstrukturer, specifikt viser en overgang i fejltilstand fra katastrofal knækning til ydelse ved en lav relativ densitet (mellem 10-20 procent af bulkdensiteten), som validerer Messners modelforudsigelser.

Dette er de første undersøgelser, hvor teoretiske modeller blev brugt til at forudsige fiasko i miniaturiserede gitterstrukturer og derefter testet eksperimentelt for at evaluere, om disse forudsigelser holder. Disse fund har konsekvenser for, hvordan forskere og ingeniører designer og fremstiller arkitektoniske strukturer til fremtidige applikationer.