Nye 3-D-printede gitterdesigns trodser konventionel visdom om metamaterialer

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har designet en ny klasse af 3-D-printede gitterstrukturer, der kombinerer letvægt og høj stivhed, trods brud på en regel, der tidligere menes at være påkrævet for at udstille sådanne egenskaber. En af de nye strukturer viser desuden en perfekt ensartet reaktion på kræfter i alle retninger.

Som beskrevet i et papir udgivet i dag af Videnskab fremskridt , et LLNL-team ledet af ingeniør Seth Watts brugte topologioptimeringssoftware, som Watts skrev til at skabe to unikke enhedscelledesigns sammensat af mikroarkitekterede bindingsværker, hvoraf den ene er designet til at have isotropiske (identiske og rundstrålende) materialeegenskaber. Disse nye strukturer blev derefter fremstillet og testet, og viste sig at udkonkurrere oktettstammen, et standard geometrisk mønster til 3-D-printede gitterstrukturer.

Til forskernes overraskelse, bindingsværkerne så ud til at overtræde Maxwell-kriteriet, en teori om strukturel stivhed brugt i mekanisk design, der hævder, at de mest effektive bærende strukturer kun deformeres ved strækning. I sådanne strukturer, stivhed skalerer lineært med tæthed - halvering af strukturens vægt reducerer kun dens stivhed til det halve, i modsætning til mindre effektive strukturer, hvis stivhed ville blive reduceret med tre fjerdedele eller syv ottendedele. Denne lineære skalering muliggør skabelsen af ​​ultralette, ultra-stive mekaniske metamaterialer.

"Vi har fundet to truss, der har lineær skalering af stivhed med tæthed, når den konventionelle visdom - denne Maxwell-kriterieregel - ikke er opfyldt, " medforfatter Watts forklarede. "Man havde troet, at Maxwell-kriteriet var både nødvendigt og tilstrækkeligt til at vise, at du havde høj stivhed ved lav tæthed. Vi har vist, at det ikke er en nødvendig betingelse. Med andre ord, der er en større klasse af spær, der har denne lineære skaleringsegenskab.

"Det viser, at det, der var den tidligere ortodoksi, ikke er fast, " tilføjede Watts. "Der er undtagelser, og undtagelserne kan faktisk give dig bedre ejendomme."

Gennem en projektion mikro-stereolitografi 3-D-print proces, som bruger lys projiceret på en lysfølsom polymerharpiks til at bygge objekter lag for lag, LLNL-teamet konstruerede strukturer med en repeterende oktaedrisk og rectified cubic (ORC) enhedscelle designet til at være stivere end en oktet truss med samme tæthed, og med en gentagende oblat og kvasi-sfærisk oktaedrisk (OQSO) enhedscellestruktur designet til at være perfekt isotrop, så dens mekaniske respons er ensartet uanset hvor en belastning påføres. Designene blev derefter valideret eksperimentelt.

Forskerne sagde, at på grund af deres ensartede respons, isotrope gitter kan placeres vilkårligt med hensyn til kendte – eller endda ukendte – belastninger, gør det muligt for ingeniører at producere stivere strukturer end dem, der er bygget med andre typer spær, såsom oktetdesignet, som også er ultrastiv, men kun i visse retninger.

"Den isotrope truss giver dig mulighed for at se bort fra belastningsretningen i et use-case scenarie, " sagde papirets medforfatter Chris Spadaccini, direktør for LLNL's Center for Engineered Materials and Manufacturing. "For eksempel, du behøver ikke længere at bekymre dig om, hvilken vinkel belastningerne kommer fra. Dette arbejde viser virkelig, at der er en ny metode, der kan give dig bedre ydeevne, men som ikke er blevet udforsket, fordi den krænker konventionel visdom."

Forskere sagde, at arbejdet også beviser, at ved at bruge topologioptimering, ingeniører kan designe nye strukturer, der overgår dem, der er skabt med traditionelle "design-by-rule" tilgange.

Medlederforfatter Wen Chen ledede det eksperimentelle og mekaniske testarbejde, mens han var postdoc ved LLNL og nu er adjunkt i maskinteknik ved University of Massachusetts Amherst. Chen testede prøverne ved forskellige tætheder for at se, hvad der ville ske, når de blev komprimeret i forskellige vinkler for at validere deres isotrope egenskaber. Chen sagde, at han var overrasket over resultaterne, og at forskningen har "forbedret løftet" om at erstatte det klassiske oktet truss design.

"Det viser, at du kan bruge dette beregningsværktøj til at designe strukturen, så den opfylder din målpræstation - dette åbner en ny designmodus for arkitekturerede materialer, " sagde Chen. "For det andet, det forbedrer den mekaniske effektivitet af arkitektonisk design. For miljøer, hvor du kan have komplekse stresstilstande, du vil have det så isotropt som muligt. Dette udvider anvendelsen af ​​vores gitter, fordi du i en rigtig applikation ofte har brug for et materiale, der kan lastes fra flere retninger. "

Arbejdet er en del af en løbende indsats på LLNL for at bruge beregningsmetoder til at optimere designet af 3D-trykte dele. Watt, der arbejder under LLNLs Center for Design og Optimering, sagde, at de isotrope strukturer blev designet udelukkende gennem computermodellering. De nye designs, samt de algoritmer, der bruges til at udvikle dem, er ved at blive indarbejdet i Livermore Design Optimization (LiDO) -koden for at gøre disse fremskridt tilgængelige for andre Lab -programmatiske områder. For eksempel, forskere har allerede brugt denne tilgang til at udvikle en skræddersyet enhedscelle til National Ignition Facility-applikationer.

Forskerne sagde, at de isotrope bindingsværker kunne udvides til 3-D-printede metaller og keramik og vise sig nyttige, hvor de er stive, alligevel er let materiale nødvendigt, såsom i biologiske applikationer som 3-D-printede væv, hvor justerbar stivhed er afgørende. Luftfartsfeltet kræver også disse egenskaber. I droner eller jagerfly, for eksempel, reduktion af strukturel vægt har de dobbelte fordele ved at øge manøvredygtigheden og reducere inertikræfter, muliggør ekstrem ydeevne.

Letvægtsdesign kan også reducere produktionsomkostningerne, brændstofforbrug og materialespild, og har en række andre fordele, efterhånden som ingeniører bevæger sig mod mere optimerede strukturer, sagde Watts. Forskere tilføjede, at det seneste papir er en af ​​flere samtidige bestræbelser på LLNL for at designe et nyt bibliotek af enhedsceller med egenskaber, der er specielt skræddersyet til Lab-missioner.

"Vi ønsker at udvide designrummet ud over intuitive designs, " sagde Spadaccini. "Det langsigtede håb er, at vi bevæger os væk fra blot at vælge det nyeste gitterdesign i litteraturen og bevæge os hen imod at skabe og bruge vores eget materialebibliotek. Vi kan bruge disse metoder til vores specifikke behov, og materialerne vil fungere bedre som et resultat. Ultimativt, Vi vil gerne have, at vores ingeniøranalytikere på LLNL bruger dette, som om det er et designværktøj. "

Watts og hans team fortsætter deres arbejde med at inkludere en mere fyldig karakterisering af gitterstrukturerne, overvejer fysik ud over lineær elasticitet, inklusive varmeoverførsel, ikke-lineær mekanik, vibrationer og svigt. At forstå deres reaktion på tværs af en række fænomener resulterer i mere nøjagtigt design af flerskalastrukturer bygget ved hjælp af disse nye metamaterialer.