Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuwe klasse van 3D-geprinte roosterstructuren ontworpen die lichtgewicht en hoge stijfheid combineren, ondanks het overtreden van een regel waarvan eerder werd gedacht dat het nodig was om dergelijke eigenschappen te vertonen. Een van de nieuwe structuren vertoont bovendien een perfect uniforme respons op krachten in alle richtingen.

Zoals beschreven in een artikel dat vandaag is gepubliceerd door wetenschappelijke vooruitgang , een LLNL-team onder leiding van ingenieur Seth Watts gebruikte topologie-optimalisatiesoftware die Watts schreef om twee unieke eenheidscelontwerpen te maken die zijn samengesteld uit micro-architected trussen, waarvan er één is ontworpen om isotrope (identieke en omnidirectionele) materiaaleigenschappen te hebben. Deze nieuwe structuren werden vervolgens gefabriceerd en getest, en bleken beter te presteren dan de octet-truss, een standaard geometrisch patroon voor 3D-geprinte roosterstructuren.

Tot verbazing van de onderzoekers de spanten leken in strijd met het Maxwell-criterium, een theorie van structurele stijfheid gebruikt in mechanisch ontwerp die stelt dat de meest efficiënte dragende constructies alleen vervormen door uitrekken. In dergelijke constructies stijfheid schaalt lineair met de dichtheid - door het gewicht van de constructie te halveren, wordt de stijfheid slechts gehalveerd, in tegenstelling tot minder efficiënte constructies waarvan de stijfheid met driekwart of zeven-achtste zou worden verminderd. Deze lineaire schaling maakt het mogelijk om ultralichte, ultrastijve mechanische metamaterialen.

"We hebben twee spanten gevonden met een lineaire schaal van stijfheid met dichtheid wanneer niet aan de conventionele wijsheid - deze Maxwell-criteriumregel - wordt voldaan, " legde mede-hoofdauteur Watts uit. "Men geloofde dat het Maxwell-criterium zowel noodzakelijk als voldoende was om aan te tonen dat je een hoge stijfheid had bij een lage dichtheid. We hebben laten zien dat het geen noodzakelijke voorwaarde is. Met andere woorden, er is een grotere klasse van spanten die deze lineaire schaaleigenschap hebben.

"Het laat zien dat wat de vorige orthodoxie was, niet stevig is, "Watts toegevoegd. "Er zijn uitzonderingen, en de uitzonderingen kunnen u zelfs betere eigenschappen opleveren."

Door middel van een projectie micro-stereolithografie 3D-printproces, die licht gebruikt dat op een lichtgevoelige polymeerhars wordt geprojecteerd om objecten laag voor laag te bouwen, het LLNL-team bouwde structuren met een herhalende octaëdrische en gerectificeerde kubische (ORC) eenheidscel, ontworpen om stijver te zijn dan een octet-truss van gelijke dichtheid, en met een herhalende afgeplatte en quasi-sferische octaëdrische (OQSO) eenheidscelstructuur ontworpen om perfect isotroop te zijn, zodat de mechanische respons uniform is, ongeacht waar een belasting wordt toegepast. De ontwerpen werden vervolgens experimenteel gevalideerd.

De onderzoekers zeiden dat vanwege hun uniforme reactie, isotrope roosters kunnen willekeurig worden geplaatst met betrekking tot bekende of zelfs onbekende belastingen, ingenieurs in staat stellen om stijvere constructies te produceren dan die gebouwd met andere soorten spanten, zoals het octet-ontwerp, die ook ultrastijf is, maar alleen in bepaalde richtingen.

"Met de isotrope truss kunt u de belastingsrichting negeren in een gebruiksscenario, " zei co-auteur Chris Spadaccini, directeur van LLNL's Centre for Engineered Materials and Manufacturing. "Bijvoorbeeld, u hoeft zich geen zorgen meer te maken over uit welke hoek de lasten komen. Dit werk laat echt zien dat er een nieuwe methode is die je betere prestaties kan geven, maar die nog niet is onderzocht omdat het de conventionele wijsheid schendt."

Onderzoekers zeiden dat het werk ook bewijst dat door gebruik te maken van topologie-optimalisatie, ingenieurs kunnen nieuwe structuren ontwerpen die beter presteren dan de structuren die zijn gemaakt met traditionele "design-by-rule"-benaderingen.

Co-hoofdauteur Wen Chen leidde het experimentele en mechanische testwerk terwijl een postdoc bij LLNL en is nu een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Massachusetts Amherst. Chen testte de monsters bij verschillende dichtheden om te zien wat er zou gebeuren als ze onder verschillende hoeken werden samengeperst om hun isotrope eigenschappen te valideren. Chen zei dat hij verrast was door de resultaten en dat het onderzoek "de belofte heeft verbeterd" om het klassieke octet truss-ontwerp te vervangen.

"Het laat zien dat je deze rekentool kunt gebruiken om de structuur te ontwerpen om aan je doelprestaties te voldoen - dit opent een nieuwe ontwerpmodus voor architectonische materialen, "zei Chen. "Ten tweede, het verbetert de mechanische efficiëntie van architectonisch ontwerp. Voor omgevingen waar u complexe stresstoestanden kunt hebben, je wilt het zo isotroop mogelijk hebben. Dit breidt de toepassing van onze roosters uit, omdat je in een echte toepassing vaak een materiaal nodig hebt dat vanuit meerdere richtingen kan worden belast."

Het werk maakt deel uit van een voortdurende inspanning van LLNL om computationele benaderingen te gebruiken om het ontwerp van 3D-geprinte onderdelen te optimaliseren. Watt, die werkt onder het Centre for Design and Optimization van LLNL, zei dat de isotrope structuren volledig zijn ontworpen door middel van computermodellering. De nieuwe ontwerpen, evenals de algoritmen die zijn gebruikt om ze te ontwikkelen, worden opgenomen in de Livermore Design Optimization (LiDO) code om deze verbeteringen beschikbaar te maken voor andere programmatische gebieden van Lab. Bijvoorbeeld, onderzoekers hebben deze aanpak al gebruikt om een ​​op maat gemaakte eenheidscel te ontwikkelen voor toepassingen in de National Ignition Facility.

De onderzoekers zeiden dat de isotrope spanten kunnen worden uitgebreid tot 3D-geprinte metalen en keramiek en nuttig blijken te zijn waar ze stijf zijn, toch is lichtgewicht materiaal nodig, zoals in biologische toepassingen zoals 3D-geprinte weefsels, waar afstembare stijfheid essentieel is. Ook de ruimtevaart vraagt ​​om deze eigenschappen. In drones of straaljagers, bijvoorbeeld, het verminderen van het structurele gewicht heeft de dubbele voordelen van het vergroten van de wendbaarheid en het verminderen van traagheidskrachten, extreme prestaties mogelijk maken.

Lichtgewicht ontwerpen kunnen ook de productiekosten verlagen, brandstofverbruik en materiaalverspilling, en hebben tal van andere voordelen naarmate ingenieurs evolueren naar meer geoptimaliseerde structuren, zei Watts. Onderzoekers voegden eraan toe dat het nieuwste artikel een van de vele gelijktijdige inspanningen van LLNL is om een ​​nieuwe bibliotheek van eenheidscellen te ontwerpen met eigenschappen die specifiek zijn afgestemd op Lab-missies.

"We willen de ontwerpruimte verder uitbreiden dan intuïtieve ontwerpen, " Zei Spadaccini. "De hoop op lange termijn is dat we afstappen van het kiezen van het nieuwste roosterontwerp in de literatuur en ons gaan richten op het creëren en gebruiken van onze eigen materiaalbibliotheek. We kunnen deze methoden gebruiken voor onze specifieke behoeften, en de materialen zullen daardoor beter presteren. uiteindelijk, we willen dat onze technische analisten bij LLNL dit gebruiken alsof het een ontwerptool is."

Watts en zijn team zetten hun werk voort om een ​​vollediger karakterisering van de roosterstructuren op te nemen, rekening houdend met fysica voorbij lineaire elasticiteit, inclusief warmteoverdracht, niet-lineaire mechanica, trillingen en falen. Het begrijpen van hun reactie op een reeks verschijnselen resulteert in een nauwkeuriger ontwerp van meerschalige structuren die zijn gebouwd met behulp van deze nieuwe metamaterialen.