Yeni 3D Baskılı Kafes Tasarımları, Kurallara Uyulmasına Rağmen Ultra Hafif ve Ultra Sert

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) araştırmacıları, daha önce bu tür özellikleri sergilemek için gerekli olduğu düşünülen bir kuralı çiğnemesine rağmen, hafif ve yüksek sertliği birleştiren yeni bir 3B basılı kafes yapı sınıfı tasarladılar.

Yeni 3D Baskılı Kafes Tasarımları, Kurallara Uyulmasına Rağmen Ultra Hafif ve Ultra Sert
Klasik oktet kafes ve topolojik olarak optimize edilmiş, izotropik oblate ve projeksiyon mikro-stereolitografi 3D baskı tekniği ile inşa yarı küresel oktahedral kafes elektron mikroskobu görüntüleri taranması. Kredi: Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) araştırmacıları, daha önce bu tür özellikleri sergilemek için gerekli olduğu düşünülen bir kuralı çiğnemesine rağmen, hafif ve yüksek sertliği birleştiren yeni bir 3B basılı kafes yapı sınıfı tasarladılar. Yeni yapılardan biri ayrıca her yöne kuvvetlere mükemmel bir şekilde tek biçimli tepki gösterir.

Bugün Science Advances tarafından yayınlanan bir makalede açıklandığı gibi, mühendis Seth Watts tarafından yönetilen bir LLNL ekibi, Watts'ın biri izotropik olacak şekilde tasarlanmış mikro mimarili kafeslerden oluşan iki benzersiz birim hücre tasarımı oluşturmak için yazdığı topoloji optimizasyon yazılımını kullandı. (özdeş ve çok yönlü) malzeme özellikleri. Bu yeni yapılar daha sonra üretildi ve test edildi ve 3D-basılmış kafes yapıları için standart bir geometrik desen olan sekizli kafesin üstünde kaldılar.

Araştırmacıların sürprizine göre, kafes kirişler, mekanik tasarımda kullanılan ve en verimli yük taşıyıcı yapıların sadece gererek deforme olduğunu gösteren bir yapısal sertlik teorisi olan Maxwell kriterini ihlal ettikleri ortaya çıktı. Bu tür yapılarda, sertlik yoğunlukla doğrusal olarak ölçeklenir - yapının ağırlığını yarıya indirmek, sertliği dörtte iki veya sekizde bir oranında azalacak daha az verimli yapıların aksine sertliğini sadece yarı yarıya azaltır. Bu doğrusal ölçeklendirme, ultra hafif, ultra sert mekanik malzemelerin oluşturulmasını sağlar.

Yardımcı yazar Watts, “Geleneksel bilgelik - bu Maxwell ölçüt kuralı - tatmin edici olmadığında, doğrusallıkta sertlik derecesine sahip iki kiriş bulduk. “Maxwell ölçütünün düşük yoğunlukta yüksek sertliğe sahip olduğunuzu göstermek için hem gerekli hem de yeterli olduğuna inanılmıştı. Bunun gerekli bir koşul olmadığını gösterdik. Başka bir deyişle, bu doğrusal ölçekleme özelliğine sahip daha büyük bir truss sınıfı vardır.

Watts, “Önceki ortodoksinin ne olduğunun kesin olmadığını gösteriyor” dedi. “İstisnalar var ve istisnalar aslında size daha iyi özellikler sağlayabilir.”

Nesneleri katman oluşturmak için ışığa duyarlı bir polimer reçineye yansıtılan ışığı kullanan projeksiyonlu bir mikro-stereolitografi 3D-baskı işlemi sayesinde LLNL ekibi, tekrarlayan bir oktahedral ve rektifiye edilmiş kübik (ORC) ünite hücresiyle daha sert olmak üzere tasarlanmış yapılar inşa etti eşit yoğunluğa sahip sekizli bir truss'tan ve mükemmel izotropik olacak şekilde tasarlanmış tekrarlayan bir oblate ve yarı küresel oktahedral (OQSO) birim hücre yapısına sahip olduğundan, mekanik tepkisi bir yükün uygulandığı yere bakılmaksızın tekdüzedir. Tasarımlar daha sonra deneysel olarak doğrulandı.

Araştırmacılar, tek biçimli tepkileri nedeniyle, izotropik kafeslerin bilinen - veya hatta bilinmeyen - yüklere göre keyfi bir şekilde yerleştirilebileceğini, mühendislerin sekizgen tasarımı gibi diğer kafes makasları ile inşa edilenlere göre daha sert yapılar üretmelerini sağladığını söylediler. çok sert ama sadece belirli yönlerde.

LLNL'nin Tasarlanmış Malzemeler ve Üretim Merkezi müdürü Chris Spadaccini, “İzotropik makas, bir kullanım senaryosundaki yük yönünü göz ardı etmenizi sağlar” dedi. “Örneğin, artık yüklerin hangi açıdan geldiği konusunda endişelenmenize gerek kalmayacak. Bu çalışma, size daha iyi performans sağlayabilen ancak geleneksel bilgeliği ihlal ettiği için keşfedilmemiş yeni bir yöntem olduğunu gösteriyor. ”

Araştırmacılar, çalışmanın ayrıca topoloji optimizasyonunu kullanarak mühendislerin geleneksel “kurallara göre tasarım” yaklaşımları ile yaratılanları geride bırakan yeni yapılar tasarlayabileceğini kanıtladığını söyledi.

Ortak yazar Wen Chen, deneysel ve mekanik test çalışmalarına liderlik ederken, LLNL'de postdok ve şu anda Massachusetts Amherst Üniversitesi'nde makine mühendisliği yardımcı doçentidir. Chen, izotropik özelliklerini doğrulamak için farklı açılarda sıkıştırıldığında ne olacağını görmek için örnekleri farklı yoğunluklarda test etti. Chen, sonuçlara şaşırdığını ve araştırmanın klasik oktet truss tasarımının yerine geçme vaadini geliştirdiğini söyledi.

Chen, “Bu hesaplama aracını, hedef performansınızı karşılayacak yapıyı tasarlamak için kullanabileceğinizi gösteriyor - bu, mimarlık malzemeler için yeni bir tasarım modu açar,” dedi. “İkincisi, mimari tasarımın mekanik verimliliğini arttırıyor. Karmaşık stres durumlarına sahip olabileceğiniz ortamlar için mümkün olduğunca izotropik olmasını istersiniz. Bu, kafeslerimizin uygulamasını genişletir, çünkü gerçek bir uygulamada, çoğu zaman birden fazla yönden yüklenebilecek bir malzemeye ihtiyacınız vardır. ”

Çalışma, 3B basılı parçaların tasarımını optimize etmek için hesaplamalı yaklaşımları kullanmak için LLNL'de devam eden bir çabanın parçası. LLNL'nin Tasarım ve Optimizasyon Merkezi altında çalışan Watts, izotropik yapıların tamamen bilgisayar modellemesi ile tasarlandığını söyledi. Yeni tasarımların yanı sıra onları geliştirmek için kullanılan algoritmalar, bu ilerlemeleri diğer Lab programatik alanlarına sunmak için Livermore Design Optimization (LiDO) koduna dahil edilmiştir. Örneğin, araştırmacılar zaten Ulusal Ateşleme Tesisi uygulamaları için ısmarlama bir birim hücre geliştirmek için bu yaklaşımı kullandılar.

Araştırmacılar, izotropik kafeslerin 3D-baskılı metallere ve seramiklere uzatılabileceğini ve ayarlanabilir sertliğin gerekli olduğu 3D-baskılı dokular gibi biyolojik uygulamalarda olduğu gibi sert, ancak hafif bir malzemenin gerekli olduğu her yerde yararlı olduğunu kanıtladı. Havacılık alanı da bu özellikleri talep eder. Uçağın veya savaş uçaklarının, örneğin, yapısal ağırlığı azaltmak, manevra kabiliyetini arttırmanın ve atalet kuvvetlerini azaltmanın ve olağanüstü performans sağlamanın çift faydalarına sahiptir.

Watts, hafif tasarımların üretim maliyetlerini, yakıt kullanımını ve malzeme atıklarını azaltabileceğini ve mühendislerin daha optimize yapılara doğru ilerlerken bir çok yararı olduğunu söyledi. Araştırmacılar, en son makalenin, LLNL'deki Lab görevlerine özel olarak uyarlanmış özelliklere sahip yeni bir birim hücre kütüphanesi tasarlama konusundaki eşzamanlı çabalardan biri olduğunu eklediler.

Spadaccini, “Tasarım alanını sezgisel tasarımların ötesine genişletmek istiyoruz” dedi. “Uzun vadeli umut, literatürdeki en yeni kafes tasarımını seçmekten uzaklaşmamız ve kendi malzeme kütüphanemizi yaratıp kullanmaya doğru ilerlememizdir. Bu yöntemleri özel ihtiyaçlarımız için kullanabiliriz ve bunun sonucunda malzemeler daha iyi performans gösterecektir. Sonuçta, LLNL'deki mühendislik analistlerimizin bunu bir tasarım aracı gibi kullanmasını istiyoruz. ”

Watts ve ekibi, ısı aktarımı, doğrusal olmayan mekanikler, titreşim ve başarısızlık dahil olmak üzere doğrusal esnekliğin ötesinde fiziği göz önünde bulundurarak, kafes yapılarının daha eksiksiz bir karakterizasyonunu içerecek şekilde çalışmalarına devam ediyor. Bir dizi fenomene verdikleri yanıtı anlamak, bu yeni metamalzemeler kullanılarak oluşturulan çok ölçekli yapıların daha doğru tasarımına yol açar.


Referans: “Maxwell kriterinin ötesinde sert izotropik kafesler” Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli ve Christopher M. Spadaccini, Science Advances.
DOI: 10.1126 / sciadv.aaw1937

Çalışma, Laboratuar Yönlendirilmiş Araştırma ve Geliştirme (LDRD) programı, Tasarım ve Optimizasyon Merkezi ve Mühendislik Malzemeleri ve İmalat Merkezi aracılığıyla finanse edildi.

Ortak yazarlar arasında LLNL mühendisleri Julie Jackson, Will Smith ve Tasarım ve Optimizasyon Merkezi Direktörü Dan Tortorelli yer aldı.