Ingenieure entwickeln 3-D-gedruckte Metamaterialien, die mechanische Eigenschaften unter Magnetfeldern verändern

Die Forscher injizierten eine magnetorheologische Flüssigkeit in hohle Gitterstrukturen, die auf der LLNL檚 Large Area Projection Microstereolithography-Plattform aufgebaut sind, die Objekte mit mikroskaligen Merkmalen über weite Bereiche unter Verwendung von Licht und einem lichtempfindlichen Polymerharz in 3D druckt. Bildnachweis: Julie Mancini/LLNL

Ein Forscherteam hat eine völlig neue Klasse von Metamaterialien entwickelt, die fast sofort reagieren und 3D-gedruckte Strukturen versteifen können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden Innovationen.

Die “field responsive Mechanical Metamaterials” (FRMMs) verwenden ein viskoses, magnetisch reagierendes Fluid, das manuell in die hohlen Streben und Balken von 3D-gedruckten Gittern injiziert wird. Im Gegensatz zu anderen Form-Morphing- oder sogenannten “4-D-gedruckten” Materialien (die vierte Dimension ist die Zeit) ändert sich die Gesamtstruktur der FRMMs nicht. Die im Kern der Balken befindlichen ferromagnetischen Partikel des Fluids bilden durch das Magnetfeld Ketten, die das Fluid und damit die Gitterstruktur versteifen. Diese Reaktion erfolgt schnell, in weniger als einer Sekunde. Das Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritte hat die Studie heute online veröffentlicht.

„In diesem Papier wollten wir uns wirklich auf das neue Konzept von Metamaterialien mit einstellbaren Eigenschaften konzentrieren, und obwohl es ein bisschen mehr ein manueller Herstellungsprozess ist, zeigt es immer noch auf, was getan werden kann, und das finde ich wirklich spannend.“ sagte die Hauptautorin Julie (Jackson) Mancini, eine Ingenieurin am Lawrence Livermore National Laboratory, die seit 2014 an dem Projekt arbeitet.

„Es hat sich gezeigt, dass Metamaterialien durch Struktur mechanische Eigenschaften erzeugen können, die manchmal in der Natur nicht existieren oder hochgradig entworfen werden können, aber sobald Sie die Struktur aufgebaut haben, bleiben Sie bei diesen Eigenschaften hängen“, sagte Mancini. „Eine nächste Entwicklung dieser Metamaterialien ist etwas, das seine mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf einen externen Reiz anpassen kann. Diese gibt es, aber sie reagieren, indem sie ihre Form oder Farbe ändern, und die Zeit, die es braucht, um eine Reaktion zu erhalten, kann in der Größenordnung von Minuten liegen oder Bei unseren FRMMs ändert sich die Gesamtform nicht und die Reaktion ist sehr schnell, was es von diesen anderen Materialien unterscheidet.”

Ingenieure entwickeln 3-D-gedruckte Metamaterialien, die mechanische Eigenschaften unter Magnetfeldern verändern
Eine neue Klasse von im Labor entwickelten feldempfindlichen mechanischen Metamaterialien (FRMMs) verwendet eine viskose, magnetisch ansprechende Flüssigkeit, die manuell in die hohlen Streben und Balken von 3D-gedruckten Gittern injiziert wird. Die ferromagnetischen Fluidpartikel, die sich im Kern der Balken befinden, bilden in Reaktion auf das Magnetfeld Ketten, die das Fluid und die Gitterstruktur schnell versteifen. Kredit: University of California – San Diego

Mancini begann die Arbeit an der University of California Davis unter ihrem Master-Berater, Material- und Ingenieursprofessor Ken Loh, der jetzt an der University of California San Diego arbeitet. Loh sagte, das Konzept sei teilweise von Aufhängungssystemen auf Automobilbasis inspiriert und begann mit der Suche nach Möglichkeiten zur Entwicklung einer flexiblen Panzerung, die in der Lage ist, ihre mechanischen Eigenschaften nach Bedarf zu verändern oder zu verändern.

“Eines der Kriterien ist eine schnelle Reaktion, und Magnetfelder und MR-Materialien bieten diese Fähigkeit”, sagte Loh, Professor am Department of Structural Engineering an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego.

Loh sagte, die Forscher werden nach neuen Wegen suchen, um ein einphasiges Material zu entwickeln, anstatt eine Flüssigkeit in einen Feststoff eingebettet zu haben, und ein höheres Leistungs-Gewichts-Verhältnis zu haben, und fügte hinzu, dass zukünftige Arbeiten “zu neuen Technologien führen könnten, wie z der Kriegskämpfer, der sich sofort versteift, wenn eine Bedrohung erkannt wird.”

Die Forscher injizierten eine magnetorheologische (MR) Flüssigkeit in hohle Gitterstrukturen, die auf der Large Area Projection Microstereolithography (LAP碌SL)-Plattform des LLNL aufgebaut sind, die mit Licht und einem lichtempfindlichen Polymerharz Objekte mit mikroskaligen Merkmalen über weite Bereiche in 3D druckt. Die neue Form des dynamisch abstimmbaren Metamaterials verdankt einen großen Teil ihres Erfolgs der LAP碌SL-Maschine, sagte Mancini, weil die komplexen röhrenförmigen Gitterstrukturen relativ zur Gesamtgröße der Struktur mit dünnen Wänden hergestellt werden mussten und in der Lage waren, die Flüssigkeit zu halten enthalten, während sie dem während des Füllvorgangs erzeugten Druck und der Reaktion auf ein magnetisches Feld standhalten.

Kredit: University of California – San Diego

Sobald sich das magnetisch ansprechende Fluid innerhalb der Gitterstrukturen befindet, bewirkt das Anlegen eines externen Magnetfelds, dass sich das Fluid versteift und die gesamten 3D-gedruckten Strukturen anschließend fast augenblicklich versteifen. Die Änderung ist leicht reversibel und durch Variation der Stärke des angelegten Magnetfelds hochgradig einstellbar, sagten die Forscher.

“Was wirklich wichtig ist, ist, dass es nicht nur ein Ein- und Ausschaltverhalten ist. Durch die Anpassung der angelegten Magnetfeldstärke können wir eine breite Palette mechanischer Eigenschaften erzielen”, sagte Mancini. “Die Idee der On-the-Fly, Fernabstimmbarkeit öffnet die Tür zu vielen Anwendungen.”

Mancini sagte, dass die Technologie für die Aufprallabsorption nützlich sein könnte – oder zum Beispiel könnten Autositze flüssigkeitsempfindliche Metamaterialien haben, die zusammen mit Sensoren einen Aufprall erkennen, und die Sitze würden sich bei einem Aufprall versteifen, was möglicherweise die Bewegungen der Passagiere reduziert, die ein Schleudertrauma verursachen können. Es könnte neben vielen anderen Anwendungen auch auf Helme oder Nackenstützen der nächsten Generation, Gehäuse für optische Komponenten und Softrobotik angewendet werden.

Um vorherzusagen, wie beliebige mit MR-Flüssigkeit gefüllte Gitterstrukturen auf ein angelegtes Magnetfeld reagieren würden, entwickelte der ehemalige LLNL-Forscher Mark Messner (jetzt Stabsingenieur am Argonne National Laboratory) ein Modell aus Einzelstrebentests.

Kredit: University of California – San Diego

Ausgehend von einem Modell, das er am LLNL entwickelt hat, das die mechanischen Eigenschaften von nicht abstimmbaren statischen gitterstrukturierten Materialien vorhersagt, fügte Messner eine Darstellung hinzu, wie sich MR-Flüssigkeit auf ein einzelnes Gitterelement unter einem Magnetfeld auswirkt, und integrierte das Modell einer einzelnen Strebe in ein Design. für Elementarzellen und Gitter. Von dort aus konnte er das Modell auf Experimente kalibrieren, die Mancini an flüssigkeitsgefüllten Rohren ähnlich den Streben in den Gittern durchführte. Das Team nutzte das Modell, um die Topologie des Gitters zu optimieren und die Strukturen zu finden, die bei Variation des Magnetfelds zu großen Änderungen der mechanischen Eigenschaften führen würden.

“Wir haben uns die elastische Steifigkeit angesehen, aber das Modell (oder ähnliche Modelle) können verwendet werden, um verschiedene Gitterstrukturen für verschiedene Arten von Zielen zu optimieren”, sagte Messner. “Der Gestaltungsraum möglicher Gitterstrukturen ist riesig, daher haben uns das Modell und der Optimierungsprozess geholfen, wahrscheinliche Strukturen mit günstigen Eigenschaften auszuwählen, bevor (Mancini) die tatsächlichen Muster gedruckt, gefüllt und getestet hat, was ein langwieriger Prozess ist.”

Mancini sagte, dass sie und ihr Team weiterhin daran arbeiten werden, Strukturen mit der eingebauten magnetfeldempfindlichen Flüssigkeit zu drucken, um die manuelle Einfüllphase zu eliminieren, und die Gesamtgröße der Strukturen zu erhöhen.


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