Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben theoretische modellen aangepast om het faalgedrag van geminiaturiseerde 3D-roosterstructuren te voorspellen en hebben geavanceerde karakteriseringstechnieken gebruikt om aan te tonen dat deze fouten bestaan.

specifiek, experimenten toonden een overgang in faalwijzen voor door rek gedomineerde roosterstructuren bij lage relatieve dichtheden. Het begrijpen van de dominante faalmodus is van cruciaal belang voor de inzet van lichtgewicht microtrussen, omdat dit het energieabsorptievermogen van de constructie beïnvloedt.

Lichtgewicht roosterstructuren, zoals spanten, worden al eeuwenlang gebruikt - denk aan schraagbruggen en de Eiffeltoren als veelvoorkomende voorbeelden - vanwege hun lage dichtheid en hoge specifieke sterkte en stijfheid. Met additieve fabricage (3D-printen), dit soort structuren kunnen worden geminiaturiseerd tot aanzienlijk kleinere lengteschalen. Echter, wetenschappers wisten niet zeker of modellen, gebruikt om het faalgedrag van grootschalige lichtgewicht constructies te voorspellen, zou standhouden bij de kleinere lengteschalen.

LLNL-onderzoekers Mark Messner (nu bij Argonne National Laboratory) en Holly Carlton hebben deze bevindingen gepubliceerd in de Journal of Mechanics and Physics of Solids en Acta Materialia , respectievelijk. Messner gebruikte een nieuw ontwikkeld equivalent continuümmodel om faalgedrag in truss-structuren te voorspellen. Deze methode, toegepast op standaard celtopologieën, voorspelt een afweging tussen een meer sierlijke, door opbrengst gedomineerde en een catastrofale doorbuiging gedomineerde faalmodus bij een kritische relatieve dichtheid. Echter, de kritische relatieve dichtheid die in zijn theoretische model wordt voorspeld, hangt af van verschillende modelleringsaannames die sterk worden beïnvloed door het fabricageproces.

Op dit punt, Carlton voerde quasi-statische compressietests uit in combinatie met in-situ tomografie bij de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory. Deze experimenten op geminiaturiseerde 3D-geprinte structuren legden realtime vervorming vast in eenheidscelroosterstructuren, specifiek een overgang in faalmodus van catastrofale knik naar opbrengst bij een lage relatieve dichtheid (tussen 10-20 procent van de bulkdichtheid), die de modelvoorspellingen van Messner valideert.

Dit zijn de eerste onderzoeken waarbij theoretische modellen werden gebruikt om falen in geminiaturiseerde roosterstructuren te voorspellen en vervolgens experimenteel werden getest om te evalueren of deze voorspellingen standhouden. Deze bevindingen hebben implicaties voor hoe wetenschappers en ingenieurs architectonische structuren ontwerpen en fabriceren voor toekomstige toepassingen.