LLNL: Magnetycznie reagujące metamateriały natychmiast usztywniają trójwymiarowe wydrukowane struktury

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) często robi imponującą pracę z materiałami do drukowania 3D, w tym metamateriałami. Teraz laboratorium wprowadziło nową klasę metamateriałów, które prawie natychmiast reagują i usztywniają drukowane struktury 3D pod wpływem pola magnetycznego. LLNL nazywa materiały "reagującymi na warunki mechaniczne metamateriałami mechanicznymi" lub FRMM. Obejmują one lepki, magnetycznie reagujący płyn, który jest wtryskiwany do pustych rozpór i belek z trójwymiarowych sieciowych wydruków. W przeciwieństwie do innych materiałów drukowanych 4D, ogólna struktura FRMM nie zmienia się. Cząstki ferromagnetyczne płynu znajdujące się w rdzeniu belek tworzą łańcuchy w odpowiedzi na pole magnetyczne, usztywniając płyn i strukturę kratownicową. Dzieje się tak w czasie krótszym niż jedna sekunda.

Badania udokumentowano w artykule zatytułowanym "Metamateriały mechaniczne reagujące na pola."

"W tym artykule chcieliśmy się skupić na nowej koncepcji metamateriałów z przestrajanymi właściwościami i chociaż jest to trochę więcej ręcznego procesu wytwarzania, wciąż podkreśla to, co można zrobić, i to jest naprawdę ekscytujące "- powiedziała główna autorka Julie Jackson Mancini, inżynier LLNL, która pracowała na projekcie od 2014 r. "Pokazano, że metamateriały dzięki strukturze mogą tworzyć właściwości mechaniczne, które czasami nie istnieją w naturze lub mogą być wysoce zaprojektowane, ale kiedy zbudujesz strukturę, utkniesz w tych właściwościach. Następna ewolucja tych metamateriałów jest czymś, co może dostosować swoje właściwości mechaniczne w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec. Te istnieją, ale reagują zmieniając kształt lub kolor, a czas potrzebny na odpowiedź może wynosić minuty lub godziny. Dzięki naszym FRMM, ogólna forma nie zmienia się, a reakcja jest bardzo szybka, co odróżnia ją od innych materiałów. "

Naukowcy wstrzyknęli płyn magnetoreologiczny do pustych struktur sieci zbudowanych na dużym obszarze LLNL Projekcyjna mikrostereolitografia (LAPμSL), która może drukować obiekty 3D z elementami mikroskali na dużych obszarach przy użyciu światła i fotoczułej żywicy polimerowej. Według Manciniego maszyna LAPμSL odegrała dużą rolę w opracowywaniu nowych metamateriałów, ponieważ skomplikowane konstrukcje rurowe musiały być wytwarzane z cienkimi ściankami i zdolne do utrzymywania zawartego płynu przy jednoczesnym utrzymywaniu ciśnienia wytwarzanego podczas procesu wypełniania ireakcja na pole magnetyczne.

Sztywność płynu i, z kolei, drukowane struktury 3D, jest odwracalna i przestrajalna przez zmianę siły przyłożonego pola magnetycznego.

" To, co naprawdę ważne, to nie tylko reakcja "włącz i wyłącz", dostosowując siłę pola magnetycznego, możemy uzyskać szeroki zakres właściwości mechanicznych "- powiedział Mancini. "Koncepcja zdalnego sterowania" otwiera drzwi do wielu aplikacji ".

Te aplikacje obejmują funkcję pochłaniania uderzenia, taką jak fotele samochodowe, w których wbudowane są reagujące na płyn metamateriały z czujnikami, które mogą wykryć awarię. Siedzenia usztywniają się po uderzeniu, prawdopodobnie zmniejszając biczowanie kręgosłupa. Do innych zastosowań należą hełmy, szyjki, obudowa elementów optycznych lub miękka robotyka.

Aby przewidzieć, jak struktury sieci zareagują na zastosowane pole magnetyczne, były badacz LLNL Mark Messner, który obecnie pracuje w Argonne National Laboratory, opracował model z testów pojedynczych kolumn. Zaczynając od opracowanego przez niego modelu do przewidywania właściwości mechanicznych niestabilnych, statycznych materiałów o strukturze sieciowej, dodał on reprezentację tego, jak płyn reagujący magenicznie wpływa na pojedynczy element sieciowy pod wpływem pola magnetycznego i włączył model pojedynczej podpory do projektów dla komórki jednostkowe i sieci. Następnie skalibrował model do eksperymentów Mancini wykonywanych na wypełnionych płynem rurach podobnych do rozpórek w kratownicach. Naukowcy wykorzystali model do optymalizacji topologii sieci, znajdując struktury, które skutkowałyby dużymi zmianami właściwości mechanicznych, gdy pole magnetyczne było zmienione.

"Przyjrzeliśmy się elastycznej sztywności, ale model ( lub podobne modele) mogą być wykorzystywane do optymalizacji różnych struktur sieci dla różnych rodzajów celów ", powiedział Messner. "Przestrzeń projektowa możliwych struktur kratownicowych jest ogromna, dlatego model i proces optymalizacji pomogły nam wybrać prawdopodobne struktury o korzystnych właściwościach zanim (Mancini) wydrukowały, wypełniły i przetestowały rzeczywiste próbki, co jest procesem długotrwałym."

Mancini rozpoczęła pracę na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis pod okiem swojego doradcy, profesora materiałów i inżynierii Ken'a Loha, który jest teraz na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Według Loha, koncepcja została częściowo zainspirowana samochodowymi systemami zawieszenia. Rozpoczęli od zbadania sposobów opracowania elastycznego pancerza, który mógłby zmienić jego mechanikęwłaściwości w razie potrzeby.

"Jednym z kryteriów jest uzyskanie szybkiej reakcji, a pola magnetyczne i materiały MR oferują taką możliwość", powiedział Loh.

Powiedział również, że naukowcy będą zbadaj nowe sposoby opracowania materiału jednofazowego, zamiast posiadania cieczy zatopionej w ciele stałym i wyższej wydajności w stosunku do wagi. Przyszłe prace, kontynuował, "mogą prowadzić do nowych technologii, takich jak elastyczny pancerz dla wojownika, który natychmiast się usztywnia po wykryciu zagrożenia."

Autorami artykułu są Julie A. Jackson, Mark C. Messner, Nikola A. Dudukovic, William L. Smith, Logan Bekker, Bryan Moran, Alexandra M. Golobic, Andrew J. Pascall, Eric B. Duoss, Kenneth J. Loh i Christopher M. Spadaccini.