Översikt över den specifikationsdrivna 3D-utskriftsprocessen. Strukturen för enskilda ställdon (eller arrangemanget av flera ställdon) optimeras med hjälp av en multiobjektiv topologioptimeringsprocess. Anteckna det, i allmänhet, den slutliga optimerade strukturen kan ha vilken godtycklig form som helst. Optimeringen använder de enskilda materialens bulkfysiska egenskaper och de funktionella målen som ingångar. Den genererade optimerade voxelbaserade representationen av strukturen används av skrivaren för att tillverka den optimerade strukturen med hjälp av en inkjet-utskriftsprocess som kan beställas. Detta gör att högdimensionella mönster automatiskt kan genereras och tillverkas med minimal mänsklig intervention. I det här arbetet, en stel akrylatpolymer (RIG), en elastisk akrylatpolymer (ELA), och en magnetisk nanopartikel (Fe3O4)/polymerkomposit (MPC) är huvudmaterialen som används. Kontrasten i det optiska, mekanisk, och magnetiska egenskaper används för att samtidigt optimera det visuella utseendet och manöverkrafterna samtidigt som designen på voxelnivå genereras. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw1160
Inom materialvetenskap och tillämpad fysik, forskare förväntar sig att aktiveringssystem ska fungera på samma sätt som naturfenomen. Som ett klassiskt exempel, forskare föreslog att konstruera bioinspirerade material som efterliknade kamouflage av bläckfisk, även om konstruktion av sådana högintegrerade system kan vara utmanande på grund av den kombinerade komplexiteten att generera högdimensionella arkitektoniska konstruktioner och multifunktionella material som är associerade med deras tillverkningsprocess. I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , Subramanian Sundaram och kollegor vid institutionerna för datavetenskap, artificiell intelligens och elektroteknik i USA och Frankrike presenterade ett komplett protokoll om multiobjektiv topologioptimering och tredimensionell (3-D) utskrift på begäran för att konstruera komplexa ställdon.
Ställdonen innehöll mjuka och styva polymerer kopplade till en magnetisk nanopartikel/polymerkomposit som reagerade på ett magnetfält. Topologioptimeraren kan tilldela material för enskilda voxlar för att förbättra det fysiska utseendet med hög upplösning. När de förenade den topologioptimerade designstrategin med tillverkningen av multimaterial, Sundaram et al. kan konstruera komplexa ställdon som en lovande väg mot automatiserad och måldriven tillverkning.
Moderna robotar kräver ställdon som integrerar flera funktioner tillsammans i ett enda paket för optimerad höjd, energieffektivitet, topologi, storlek och andra prestandamätvärden. Denna idé ligger till grund för forskningsförslag som förespråkar en stram integration av avkänning, aktivering och beräkning med robotmaterial. Forskare diskuterar fortfarande om robotar kommer att vara kroppar med hjärnor eller hjärnor med kroppar och därför återstår en åtskillnad mellan material och maskiner. Det nya paradigmet med robotmaterial kräver att robotdelar är konstruerade för flera funktioner och optimerade för flera mål som med naturliga organismer.
Materialfastighetsbibliotek. (A) Överföringen via MPC visas som en funktion av våglängden för filmer med varierande tjocklek, mätt med en spektrofotometer. (B) Överföringen genom det klara styva materialet som visas som en funktion av våglängden för flera filmtjocklekar. (C) Magnetisering kontra applicerat magnetfält för MPC uppmätt vid rumstemperatur. Magnetiska nanopartiklar utgör cirka 12% av den totala vikten av MPC. Typiska mekaniska spännings-belastningskurvor för ELA, MPC, och den styva polymeren (RIG) visas i (D) till (F), respektive. Elastiska moduler av polymererna vid linjära stammar, i genomsnitt från tre prover vardera, varierar avsevärt - ELA (528 kPa), MPC (507 MPa), och RIG (1290 MPa). (G) Schemat visar den grundläggande gångjärnsbaserade konstruktionen med panellängd lp och tjocklek tp. I denna design, panelen är uppdelad i två lika delar RIG och MPC. Panelen är fäst vid styva gränser på två sidor med ELA -vridgångjärn med längd lh, bredd wh, och tjocklek th. Vid tillämpning av ett magnetfält, den magnetiska delen av panelen genererar ett vridmoment. Detta används som det grundläggande blocket i de manuellt designade proverna. (H) Bild på en 2 × 2 uppsättning paneler var och en med två rotationsaxlar. De mörkbruna områdena i bilden visar MPC -materialet, och de genomskinliga delarna visar de styva materialen. De elastiska torsionsgångjärnen är nästan identiska med den styva polymeren i utseende. Vid tillämpning av ett magnetfält, varje panel uppvisar en unik kombination av tvåaxliga vinkelrotationer. Ovanifrån av det platta tryckta provet visas till vänster. (Foto:S.S. och D.S.K., MIT.) Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw1160
Utmaningen med att återge bioinspirerade multifunktionella system kvarstår vid utformningen av manöverdon. I det klassiska exemplet på ett manövreringssystem för en bläckfisk, samtidig kontroll av både fysiska avböjningar och högupplöst utseende resulterar i effektiv biologisk kamouflage. Att återge en sådan sömlöst integrerad aktivering i laboratoriet är besvärlig på grund av komplexiteten i att skapa ett högdimensionellt designutrymme och tillverka dessa mönster med nya material och friformiga geometrier.
I samtida exempel på aktiveringssystem, materialforskare har utvecklat en digital mikromirror-enhet med miljontals identiska ställdon och ett ”tusenbent” datalagringssystem med hög densitet med mikroelektromekaniska systemfästen. Optimera dessa manöverdon för strömförbrukning, lågt fotavtryck och processtillförlitlighet är tidskrävande, medan icke -enhetliga ställdonmatriser presenterade ytterligare komplexitet i labbet. Som ett lovande alternativ, topologioptimeringstekniker erbjuder automatiskt optimerade materiallayouter i ett visst designutrymme.
I det nuvarande arbetet, Sundaram et al. använde en simulerad glödgningsstrategi som tidigare använts som en framgångsrik topologioptimeringsmetod för att designa fackverkskonstruktioner. Även om det är mycket generiskt i teorin, tillvägagångssättet redogjorde för problemets särdrag för att vara effektivt i praktiken. I föreliggande tillvägagångssätt, Sundaram et al. övervägde materialens roll, där tekniken var helt tillverkningsmedveten. Den föreslagna studien om högupplöst, Multifysik och tillverkningsmedveten topologioptimeringsram är en första strategi som implementeras i det nuvarande arbetet.
Forskarna använde en precisionstillverkningsprocess som kunde hantera högdimensionella konstruktioner för att tillverka det syntetiska ställdonet. Därefter, de valde en snabb additiv 3D-tillverkningsmetod för manöverdonstillverkning för att producera exakta, komplexa strukturer med olika material. Det ökande intresset för 3D-tryckta ställdon beror på deras hastighet och användbarhet inom mikro-/mesoskala robotik.
Ställdonets egenskaper - krafter, förskjutningar, och aktiveringsbandbredd. (A) För att karakterisera ställdonets prestanda, forskarna använde den grundläggande designen med en liten förändring. Här, bara en bråkdel av paneltjockleken, tp, är fylld med MPC, betecknad med λ. Följande resultat erhölls med en rektangulär panel med storlek lp1 × lp2 =8 mm × 9 mm, tjocklek tp =1 mm, λ =0,15, och gångjärn med dimensioner Wh =0,5 mm, lh =1 mm, och th =0,25 mm. (B) Uppmätta blockeringskrafter för fyra identiska enheter som visas som en funktion av avståndet från 2 ″ med 2 ″ med 0. 5 ″ magnet tillsammans med motsvarande simuleringsresultat. (C) Uppmätta vinkelavböjningar av tre identiska enheter som en funktion av avståndet från magneten. (D) Optiskt spårade vinkelförskjutningar som en funktion av tid för aktivering vid frekvenser från 0,01 till 10 Hz. (E) Vinkelförskjutningsamplituder som en funktion av frekvens för tre enheter. (F) Den skenbara bandbredden med stor amplitud beror på inställningen av magnetfältet eftersom kraften som manöverdonet upplever varierar med förskjutningen. Detta markeras i denna tomt med två fall - i ett fall, kraften som ställdonet upplever ökar monotont med vinkelförskjutning (⋆), och i det andra fallet, det finns en stabil vinkelförskjutning när panelen är i linje med riktningen för maximal gradient (⋆⋆). Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw1160
Forskare hade tidigare utforskat egenskapen för magnetisk aktivering för mjuk materia på grund av gynnsam skalning, hög manöverkraftstäthet och obunden manövrering. Sundaram et al. förenade en biomimetisk evolutionär optimeringsteknik med en automatiserad multimaterialadditiv tillverkningsprocess för att snabbt utforma och tillverka högdimensionella ställdon i föreliggande arbete. Tillvägagångssättet kan så småningom tillåta helautomatisk tillverkning av högdimensionella mönster, vilket är ett långsiktigt mål inom robotik.
Forskarna implementerade den anpassade 3-D-utskriftsprocessen för att optimera hela tillverkningspipeline och utföra tillverkningsmedvetna förbättringar. De konstruerade en specifik ställdon i en plan, styv struktur med syntetiska celler fyllda med en transparent styv polymer eller en mörk magnetiskt reagerande polymer. Topologioptimatorn styrde placeringen av de två materialen relativt deras materialegenskaper för optimala tillämpningar. Sundaram et al. kombinerade sedan en anpassad tredimensionell utskriftsprocess med flera material med multi-objektiv topologioptimering för att konstruera de högdimensionella ställdonskonstruktionerna i labbet. De skapade en uppsättning ultravioletta (UV) härdbara bläck med olika effekter för att inkludera optiska, magnetiska och mekaniska egenskaper, karakteriserade sedan proverna för att generera ett fastighetsbibliotek.
Den tryckta näckrosan placeras vid vätskegränssnitt och aktiveras med hjälp av en permanentmagnet. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw1160
Forskarna använde en specialbyggd bläckstrålebaserad multimaterial 3D-skrivare. De använde en stel akrylatpolymer (RIG), en elastisk akrylatpolymer (ELA) och en magnetisk nanopartikelpolymerkomposit (MPC) tillsammans med optimerade startfärger för bläckstråleskrivningsprocessen. Efter bläckavlagring, de använde en UV-light-emitting diode (LED) array för att tvärbinda bläcket via fri-radikal fotopolymerisation. De tre materialen innehöll mycket varierande elastiska moduler och materialegenskaper som tillät dem att göra mjuka fogar och styva strukturer för användning som ställdon. Forskarna demonstrerade sin förmåga och tillverkade en mängd olika multimateriella ställdonarrayer som manuellt utformade. De cyklade de konstruerade och konstruerade ställdonen i minst 1000 cykler utan att prestandan försämrades.
Sundaram et al. undersökte tillämpningar av 3D-tryckta multimaterialbaserade mjuka magnetiska ställdon som använder en elektromagnet som drivs av en strömkälla för att generera ett avstämbart magnetfält. Som ett bevis på konceptet, de utvecklade fyra individuella kronblad för magnetisk aktivering på ett luft-vatten-gränssnitt, där kronbladen dök upp från vattengränssnittet. För repeterbar manövrering, de placerade de tryckta proverna på ett gränssnitt mellan olja och vatten i silikon. Dessa manuellt designade exempel var de första som markerade multimaterialadditivtillverkning i kombination med magnetisk aktivering. Strategin integrerar sömlöst multimaterialutskrift och topologioptimering för att visa unik, högupplösta optiska egenskaper.
Topologioptimering av ställdon. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw1160
Forskarna optimerade mångobjektiv topologi med hjälp av simuleringsprogram för att förstå fördelningen av MPC-cellerna (magnetisk nanopartikelpolymerkomposit) för magnetisk aktivering. De tillämpade sedan metoden på två olika bilder av målningar som inkluderade ett självporträtt av Van Gogh och "Scream" av Munch. Efter att ha tillämpat ramverket för topologioptimering, de styrde magnetisk aktivering med ett applicerat magnetfält för att gradvis överföra bilder från Van Gogh till Munch -porträttet genom att öka lutnings-/avböjningsvinklarna. Forskarna karakteriserade sedan det topologioptimerade ställdonet med långsiktiga tester.
På det här sättet, Subramanian Sundaram och kollegor utvecklade en topologioptimering för att matcha målets optiska egenskaper och dess lutningsvinklar. Forskarna kopplade dessutom en drop-on-demand bläckstrålebaserad 3D-utskrift med optimeringstekniken för att konstruera topologioptimerade mönster och generera högupplösta optiska egenskaper. Även om det finns utmaningar i utvecklingen av nya bläck och material, de kunde tillverka ett brett spektrum av material med hjälp av processen.
Forskarna kan designa hela tillverkningspipeline för ökad kontrollfrihet med tillverkningsmedveten optimering. Det topologioptimerade ställdonet och den medföljande tillverkningsverktyget kan användas för att designa ställdon med sensorer och grundläggande beräkningselement för att uppnå den långsiktiga visionen om multifunktionella robotiska/autonoma kompositer med storskalig integration och självförsörjning. När forskare vidare utforskar dessa grundläggande strategier, de kommer att kunna bilda multifunktionella ställdon med minimalt mänskligt ingripande.
© 2019 Science X Network
