Een team van onderzoekers heeft een geheel nieuwe klasse van metamaterialen ontwikkeld die bijna onmiddellijk kunnen reageren en 3D-geprinte structuren kunnen verstevigen wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld. een ontwikkeling die kan worden toegepast op helmen van de volgende generatie, draagbaar pantser en tal van andere innovaties.

De "veldgevoelige mechanische metamaterialen" (FRMM's) maken gebruik van een viskeuze, magnetisch reagerende vloeistof die handmatig wordt geïnjecteerd in de holle stutten en balken van 3D-geprinte roosters. In tegenstelling tot andere vormveranderende of zogenaamde "4-D-geprinte" materialen (de vierde dimensie is tijd), de algemene structuur van de FRMM's verandert niet. De ferromagnetische deeltjes van de vloeistof die zich in de kern van de bundels bevinden, vormen kettingen in reactie op het magnetische veld dat de vloeistof en de roosterstructuur als resultaat verstijft. Deze reactie gebeurt snel, in minder dan een seconde. Het journaal wetenschappelijke vooruitgang publiceerde het onderzoek vandaag online.

"In dit artikel wilden we ons echt concentreren op het nieuwe concept van metamaterialen met afstembare eigenschappen, en ook al is het een beetje meer een handmatig fabricageproces, het benadrukt nog steeds wat er kan worden gedaan, en dat vind ik echt spannend, " zei hoofdauteur Julie (Jackson) Mancini, een ingenieur aan het Lawrence Livermore National Laboratory, die sinds 2014 aan het project heeft gewerkt.

"Het is aangetoond dat door structuur, metamaterialen kunnen mechanische eigenschappen creëren die soms niet in de natuur voorkomen of sterk ontworpen kunnen zijn, maar als je eenmaal de structuur hebt gebouwd, zit je vast aan die eigenschappen, " zei Mancini. "Een volgende evolutie van deze metamaterialen is iets dat zijn mechanische eigenschappen kan aanpassen als reactie op een externe stimulus. Die bestaan, maar ze reageren door van vorm of kleur te veranderen en de tijd die nodig is om een ​​reactie te krijgen kan in de orde van minuten of uren zijn. Met onze FRMM's, de algemene vorm verandert niet en de reactie is erg snel, die het onderscheidt van deze andere materialen."

Mancini begon het werk aan de University of California Davis onder de adviseur van haar master, materiaal- en techniekprofessor Ken Loh, die nu aan de Universiteit van Californië in San Diego zit. Loh zei dat het concept gedeeltelijk was geïnspireerd op op auto's gebaseerde ophangingssystemen en begon met het zoeken naar manieren om flexibele bepantsering te ontwikkelen die in staat is om de mechanische eigenschappen te veranderen of te veranderen als dat nodig is.

"Een van de criteria is een snelle respons, en magnetische velden en MR-materialen bieden die mogelijkheid, " zei Loh, een professor in de afdeling Structural Engineering aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego.

Loh zei dat onderzoekers nieuwe manieren zullen onderzoeken om eenfasig materiaal te ontwikkelen. in plaats van een vloeistof ingebed in een vaste stof, en hogere prestatie-gewichtsverhoudingen, eraan toevoegend dat toekomstig werk "zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën, zoals flexibel pantser voor de oorlogsjager dat onmiddellijk verstijft wanneer een dreiging wordt gedetecteerd."

Onderzoekers injecteerden een magnetorheologische (MR) vloeistof in holle roosterstructuren gebouwd op LLNL's Large Area Projection Microstereolithography (LAPµSL) platform, waarmee 3D-objecten met microschaalkenmerken over grote gebieden worden geprint met behulp van licht en een lichtgevoelige polymeerhars. De nieuwe vorm van dynamisch afstembaar metamateriaal dankt veel van zijn succes aan de LAPµSL-machine, Mancini zei, omdat de complexe buisvormige roosterstructuren moesten worden vervaardigd met dunne wanden in verhouding tot de totale grootte van de structuur, en in staat om het fluïdum vast te houden terwijl het bestand is tegen de druk die wordt gegenereerd tijdens het vulproces en de reactie op een magnetisch veld.

Zodra de magnetisch reagerende vloeistof zich in de roosterstructuren bevindt, het toepassen van een extern magnetisch veld zorgt ervoor dat de vloeistof verstijft en de algehele 3D-geprinte structuren vervolgens vrijwel onmiddellijk verstijven. De verandering is gemakkelijk omkeerbaar en zeer afstembaar door de sterkte van het aangelegde magnetische veld te variëren, aldus onderzoekers.

"Wat echt belangrijk is, is dat het niet alleen een aan en uit-reactie is, door de toegepaste magnetische veldsterkte aan te passen, kunnen we een breed scala aan mechanische eigenschappen krijgen, " zei Mancini. "Het idee van on-the-fly, afstembaarheid op afstand opent de deur naar veel toepassingen."

Mancini zei dat de technologie nuttig kan zijn voor schokabsorptie, bijvoorbeeld autostoelen kunnen vloeistofgevoelige metamaterialen hebben die aan de binnenkant zijn geïntegreerd, samen met sensoren om een ​​crash te detecteren, en stoelen zouden verstijven bij een botsing, mogelijk het verminderen van passagiersbewegingen die een whiplash kunnen veroorzaken. Het kan ook worden toegepast op helmen of nekbraces van de volgende generatie, behuizing voor optische componenten en zachte robotica, naast vele andere toepassingen.

Om te voorspellen hoe willekeurige met MR-vloeistof gevulde roosterstructuren zouden reageren op een aangelegd magnetisch veld, voormalig LLNL-onderzoeker Mark Messner (nu stafingenieur bij Argonne National Laboratory) ontwikkelde een model op basis van tests met enkele stut.

Beginnend met een model dat hij ontwikkelde bij LLNL dat de mechanische eigenschappen van niet-afstembare statische roostergestructureerde materialen voorspelt, Messner voegde een weergave toe van hoe MR-vloeistof een enkel roosterelement onder een magnetisch veld beïnvloedt en nam het model van een enkele steun op in ontwerpen voor eenheidscellen en roosters. Vanaf daar, hij was in staat om het model te kalibreren voor experimenten die Mancini uitvoerde op met vloeistof gevulde buizen, vergelijkbaar met de stutten in de roosters. Het team gebruikte het model om de topologie van het rooster te optimaliseren, het vinden van de structuren die zouden resulteren in grote veranderingen in mechanische eigenschappen als het magnetische veld werd gevarieerd.

"We keken naar elastische stijfheid, maar het model (of vergelijkbare modellen) kan worden gebruikt om verschillende roosterstructuren te optimaliseren voor verschillende soorten doelen, Messner zei. "De ontwerpruimte van mogelijke roosterstructuren is enorm, dus het model en het optimalisatieproces hielpen ons bij het kiezen van waarschijnlijke structuren met gunstige eigenschappen voordat (Mancini) werd afgedrukt, gevuld, en testte de werkelijke exemplaren, dat is een langdurig proces."

Mancini zei dat zij en haar team zullen blijven werken aan het printen van structuren met ingebouwde vloeistof die reageert op het magnetische veld om de handmatige invulfase te elimineren. en op het vergroten van de totale omvang van de constructies.