Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utformat en ny klass med 3D-tryckta gitterstrukturer som kombinerar lätt och hög styvhet, trots att man bryter mot en regel som man tidigare trodde skulle krävas för att visa sådana fastigheter. En av de nya strukturerna visar dessutom perfekt likformig respons på krafter i alla riktningar.

Som beskrivs i en artikel publicerad idag av Vetenskapliga framsteg , ett LLNL-team som leddes av ingenjören Seth Watts använde topologioptimeringsprogram som Watts skrev för att skapa två unika enhetscellsdesigner bestående av mikroarkitekterade fackverk, varav en är utformad för att ha isotropa (identiska och rundstrålande) materialegenskaper. Dessa nya strukturer tillverkades och testades sedan, och befanns överträffa oktettfackverket, ett standardmönster för 3D-tryckta gitterstrukturer.

Till forskarnas förvåning, fackverken verkade bryta mot Maxwell -kriteriet, en teori om strukturell styvhet som används i mekanisk konstruktion som påstår att de mest effektiva bärande konstruktionerna deformeras endast genom sträckning. I sådana strukturer, styvhet skalas linjärt med densitet - att minska strukturens vikt till hälften minskar bara dess styvhet med hälften, i motsats till mindre effektiva strukturer vars styvhet skulle minska med tre fjärdedelar eller sju åttondelar. Denna linjära skalning möjliggör skapandet av ultralätt, extremt styva mekaniska metamaterial.

"Vi har hittat två fackverk som har linjär skalning av styvhet med densitet när den konventionella visdomen - denna Maxwell -kriterieregel - inte uppfylls, "författare Watts förklarade." Man hade trott att Maxwell-kriteriet var både nödvändigt och tillräckligt för att visa att du hade hög styvhet vid låg densitet. Vi har visat att det inte är ett nödvändigt villkor. Med andra ord, det finns en större klass av fackverk som har denna linjära skalningsegenskap.

"Det visar att det som var den tidigare ortodoxin inte är fast, "Watts tillagd." Det finns undantag, och undantagen kan faktiskt ge dig bättre egenskaper. "

Genom en 3D-utskriftsprocess med mikro-stereolitografi, som använder ljus som projiceras på ett ljuskänsligt polymerharts för att bygga objekt lager för lager, LLNL -teamet konstruerade strukturer med en upprepande oktaedrisk och rektifierad kubisk (ORC) enhetscell utformad för att vara styvare än en oktettfackverk med lika densitet, och med en upprepande oblat och kvasi-sfärisk oktaedrisk (OQSO) enhetscellstruktur utformad för att vara perfekt isotrop, så att dess mekaniska svar är enhetligt oavsett var en belastning appliceras. Konstruktionerna validerades sedan experimentellt.

Forskarna sa att på grund av deras enhetliga svar, isotropa gitter kan placeras godtyckligt med avseende på kända - eller till och med okända - laster, gör det möjligt för ingenjörer att producera styvare strukturer än de som är byggda med andra typer av takstolar, såsom oktettdesign, som också är extremt stel men bara i vissa riktningar.

"Det isotropa fackverket gör att du kan bortse från lastriktningen i ett användningsfallsscenario, "sade papperets medförfattare Chris Spadaccini, chef för LLNL:s centrum för konstruerade material och tillverkning. "Till exempel, du behöver inte längre oroa dig för vilken vinkel lasterna kommer från. Detta arbete visar verkligen att det finns en ny metod som kan ge dig bättre prestanda men som inte har undersökts eftersom det bryter mot konventionell visdom. "

Forskare sa att arbetet också bevisar att genom att använda topologioptimering, ingenjörer kan designa nya strukturer som överträffar dem som skapats med traditionella "design-by-rule" -metoder.

Medledarförfattaren Wen Chen ledde det experimentella och mekaniska testarbetet medan hon var postdoc vid LLNL och är nu biträdande professor i maskinteknik vid University of Massachusetts Amherst. Chen testade proverna med olika densiteter för att se vad som skulle hända när de komprimerades i olika vinklar för att validera deras isotropa egenskaper. Chen sa att han var förvånad över resultaten och att forskningen har "förbättrat löftet" att ersätta den klassiska designen för oktettfackverk.

"Det visar att du kan använda det här beräkningsverktyget för att utforma strukturen för att uppfylla din målprestanda - detta öppnar ett nytt designmodus för arkitekturerade material, "Sa Chen." För det andra, det förbättrar den mekaniska effektiviteten hos arkitekterad design. För miljöer där du kan ha komplexa stresstillstånd, du vill ha det så isotropiskt som möjligt. Detta utökar tillämpningen av våra galler, eftersom du i ett verkligt program ofta behöver ett material som kan lastas från flera håll. "

Arbetet är en del av ett pågående arbete på LLNL för att använda beräkningsmetoder för att optimera utformningen av 3D-tryckta delar. Watt, som arbetar under LLNL:s Center for Design and Optimization, sa att de isotropa strukturerna helt och hållet utformades genom datormodellering. De nya designerna, liksom algoritmerna som används för att utveckla dem, införlivas i Livermore Design Optimization (LiDO) -koden för att göra dessa framsteg tillgängliga för andra Lab -programmatiska områden. Till exempel, forskare har redan använt detta tillvägagångssätt för att utveckla en skräddarsydd enhetscell för National Ignition Facility -applikationer.

Forskarna sa att de isotropa takstolarna kan förlängas till 3D-tryckta metaller och keramik och visa sig vara användbara överallt där de är stela, men lätt material behövs, såsom i biologiska tillämpningar som 3D-tryckta vävnader, där avstämbar styvhet är avgörande. Flygfältet kräver också dessa egenskaper. I drönare eller stridsflygplan, till exempel, att minska strukturell vikt har de dubbla fördelarna med att öka manövrerbarheten och minska tröghetskrafterna, möjliggör extrema prestanda.

Lätta konstruktioner kan också minska produktionskostnaderna, bränsleförbrukning och materialavfall, och har en mängd andra fördelar när ingenjörer går mot mer optimerade strukturer, Sade Watts. Forskare tillade att den senaste uppsatsen är en av flera samtidiga ansträngningar på LLNL för att designa ett nytt bibliotek med enhetsceller med egenskaper som är specialanpassade för Lab -uppdrag.

"Vi vill utöka designutrymmet utöver intuitiva mönster, "Spadaccini sa." Det långsiktiga hoppet är att vi går bort från att bara välja den senaste gallerdesignen i litteraturen och gå mot att skapa och använda vårt eget materialbibliotek. Vi kan använda dessa metoder för våra specifika behov, och materialen kommer att prestera bättre som ett resultat. I sista hand, vi skulle vilja att våra ingenjörsanalytiker på LLNL använder detta som om det är ett designverktyg. "

Watts och hans team fortsätter sitt arbete med att inkludera en fullständigare karakterisering av gitterstrukturerna, med tanke på fysik bortom linjär elasticitet, inklusive värmeöverföring, olinjär mekanik, vibrationer och fel. Att förstå deras reaktion över en rad fenomen resulterar i en mer exakt design av flerskala strukturer byggda med dessa nya metamaterial.