Ett team av forskare har utvecklat en helt ny klass av metamaterial som nästan omedelbart kan reagera och förstyva 3D-tryckta strukturer när de utsätts för ett magnetfält, en utveckling som kan tillämpas på nästa generations hjälmar, bärbar rustning och en mängd andra innovationer.

"Fältresponsiva mekaniska metamaterial" (FRMM) använder ett visköst, magnetiskt reagerande vätska som injiceras manuellt i de ihåliga stagen och balkarna i 3D-tryckta galler. Till skillnad från andra formformningar eller så kallade "4-D-tryckta" material (den fjärde dimensionen är tid), den övergripande strukturen för FRMM:n förändras inte. Vätskans ferromagnetiska partiklar som finns i strålarnas kärna bildar kedjor som svar på magnetfältet som stivnar vätskan och gitterstrukturen som ett resultat. Detta svar sker snabbt, på mindre än en sekund. Journalen Vetenskapliga framsteg publicerade forskningen online idag.

"I detta dokument ville vi verkligen fokusera på det nya konceptet metamaterial med avstämbara egenskaper, och även om det är lite mer en manuell tillverkningsprocess, det framhäver fortfarande vad som kan göras, och det är vad jag tycker är riktigt spännande, "sa huvudförfattaren Julie (Jackson) Mancini, ingenjör vid Lawrence Livermore National Laboratory, som har arbetat med projektet sedan 2014.

"Det har visats att genom struktur, metamaterial kan skapa mekaniska egenskaper som ibland inte finns i naturen eller kan vara högkonstruerade, men när du bygger strukturen fastnar du med dessa egenskaper, "Mancini sa." En nästa utveckling av dessa metamaterial är något som kan anpassa dess mekaniska egenskaper som svar på en yttre stimulans. De finns, men de svarar genom att ändra form eller färg och tiden det tar att få ett svar kan vara i storleksordningen minuter eller timmar. Med våra FRMM:er, den övergripande formen ändras inte och svaret är mycket snabbt, som skiljer det från dessa andra material. "

Mancini började arbetet vid University of California Davis under sin magisterrådgivare, material- och teknikprofessor Ken Loh, som nu är vid University of California San Diego. Loh sa att konceptet delvis var inspirerat av bilbaserade fjädringssystem och började med att titta på sätt att utveckla flexibel rustning som kan förvandla eller ändra dess mekaniska egenskaper efter behov.

"Ett av kriterierna är att uppnå snabb respons, och magnetfält och MR -material erbjuder den förmågan, "sa Loh, en professor vid institutionen för konstruktionsteknik vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego.

Loh sa att forskare kommer att undersöka nya sätt att utveckla ett enfasmaterial, istället för att ha en vätska inbäddad i fast, och högre prestanda-till-vikt-förhållanden, tillägger att framtida arbete "kan leda till ny teknik, till exempel flexibel rustning för krigsmannen som förstärks omedelbart när ett hot upptäcks. "

Forskare injicerade en magnetoreologisk (MR) vätska i ihåliga gitterstrukturer byggda på LLNLs Large Area Projection Microstereolithography (LAPµSL) plattform, som 3-D skriver ut objekt med mikroskalfunktioner över stora områden med hjälp av ljus och ett ljuskänsligt polymerharts. Den nya formen av dynamiskt avstämbart metamaterial är mycket tack vare LAPµSL -maskinen, Mancini sa, eftersom de komplexa rörformade gitterkonstruktionerna måste tillverkas med tunna väggar relativt konstruktionens totala storlek, och kan hålla vätskan innehållen samtidigt som det klarar trycket som genereras under påfyllningsprocessen och svaret på ett magnetfält.

När den magnetiskt reagerande vätskan är inne i gitterstrukturerna, applicering av ett externt magnetfält får vätskan att stelna och de övergripande 3D-tryckta strukturerna stelnar därefter nästan omedelbart. Förändringen är lätt reversibel och mycket justerbar genom att variera styrkan hos det applicerade magnetfältet, sa forskare.

"Det som verkligen är viktigt är att det inte bara är ett av och på -svar, genom att justera magnetfältstyrkan som tillämpas kan vi få ett brett spektrum av mekaniska egenskaper, "Mancini sa." Idén med on-the-fly, fjärrinställning öppnar dörren för många applikationer. "

Mancini sa att tekniken kan vara användbar för slagabsorbering - till exempel bilsäten kan ha vätskemottagande metamaterial integrerade inuti tillsammans med sensorer för att upptäcka en krasch, och sätena skulle stelna vid stötar, potentiellt minska passagerarrörelser som kan orsaka whiplash. Det kan också appliceras på nästa generations hjälmar eller halshållare, hus för optiska komponenter och mjuk robotik, bland många andra applikationer.

För att förutsäga hur godtyckliga MR-vätskefyllda gitterstrukturer skulle reagera på ett applicerat magnetfält, före detta LLNL -forskaren Mark Messner (nu personalingenjör vid Argonne National Laboratory) utvecklade en modell från tester med en strut.

Från och med en modell han utvecklade vid LLNL som förutsäger de mekaniska egenskaperna hos icke-avstämbara statiska gitterstrukturerade material, Messner lade till en representation av hur MR -vätska påverkar ett enda gitterelement under ett magnetfält och införlivade modellen av ett enda stag i en design för enhetsceller och gitter. Därifrån, han kunde kalibrera modellen till experiment som Mancini utförde på vätskefyllda rör liknande stagen i gallren. Teamet använde modellen för att optimera gitterets topologi, hitta de strukturer som skulle resultera i stora förändringar i mekaniska egenskaper eftersom magnetfältet varierades.

"Vi tittade på elastisk styvhet, men modellen (eller liknande modeller) kan användas för att optimera olika gitterstrukturer för olika slags mål, "Sade Messner." Designutrymmet för möjliga gallerstrukturer är stort, så modellen och optimeringsprocessen hjälpte oss att välja troliga strukturer med gynnsamma egenskaper innan (Mancini) trycktes, fylld, och testade de verkliga exemplaren, vilket är en lång process. "

Mancini sa att hon och hennes team kommer att fortsätta arbeta mot utskriftsstrukturer med magnetfältet responsiv vätska inbyggt för att eliminera det manuella fyllningsstadiet, och på att öka den totala storleken på strukturerna.