Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har anpassat teoretiska modeller för att förutsäga felbeteende hos miniatyriserade 3D-gitterstrukturer och har använt avancerade karakteriseringstekniker för att visa att dessa misslyckanden finns.

Specifikt, experiment visade en övergång i misslyckanden för sträckdominerade gitterstrukturer vid låga relativa densiteter. Att förstå det dominerande misslyckandet är avgörande för utplaceringen av lätta mikrostolar eftersom det påverkar konstruktionens energiabsorberingskapacitet.

Lätta gitterstrukturer, som takstolar, har använts i århundraden - tänk på bockbroar och Eiffeltornet som vanliga exempel - på grund av deras låga densitet och höga specifika styrka och styvhet. Med additiv tillverkning (3D-utskrift), dessa typer av strukturer kan miniatyriseras till betydligt mindre längder. Dock, forskare var inte säkra på om modeller, används för att förutsäga felbeteendet hos storskaliga lättviktsstrukturer, skulle hålla i de mindre längderna.

LLNL-forskarna Mark Messner (nu vid Argonne National Laboratory) och Holly Carlton har publicerat dessa resultat i Journal of Mechanics and Physics of Solids och Acta Materialia , respektive. Messner använde en nyutvecklad ekvivalent kontinuummodell för att förutsäga misslyckandebeteende i fackverkskonstruktioner. Den här metoden, tillämpas på standardcelltopologier, förutspår en avvägning mellan ett mer graciöst avkastningsdominerat och ett katastrofalt böjningsdominerat misslyckandeläge vid en kritisk relativ densitet. Dock, den kritiska relativa tätheten som förutsägs i hans teoretiska modell beror på flera modelleringsantaganden som är starkt påverkade av tillverkningsprocessen.

Vid denna tidpunkt, Carlton genomförde kvasistatiska kompressionstester tillsammans med in situ tomografi vid Lawrence Berkeley National Laboratorys Advanced Light Source. Dessa experiment med miniatyriserade 3D-tryckta strukturer fångade deformation i realtid i enhetscellgitterstrukturer, specifikt visar en övergång i felläge från katastrofal knäckning till avkastning vid en låg relativ densitet (mellan 10-20 procent av bulkdensiteten), som validerar Messners modellprognoser.

Detta är de första studierna där teoretiska modeller användes för att förutsäga misslyckanden i miniatyriserade gitterstrukturer och sedan testades experimentellt för att utvärdera om dessa förutsägelser håller. Dessa fynd har konsekvenser för hur forskare och ingenjörer designar och tillverkar arkitektoniska strukturer för framtida tillämpningar.