Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han diseñado una nueva clase de estructuras de celosía impresas en 3D que combinan ligereza y alta rigidez, a pesar de romper una regla que antes se pensaba que era necesaria para exhibir tales propiedades. Además, una de las nuevas estructuras muestra una respuesta perfectamente uniforme a las fuerzas en todas las direcciones.

Como se describe en un artículo publicado hoy por Avances de la ciencia , un equipo de LLNL codirigido por el ingeniero Seth Watts utilizó el software de optimización de topología que Watts escribió para crear dos diseños únicos de celdas unitarias compuestos por armaduras de microarquitectura, uno de los cuales fue diseñado para tener propiedades de material isotrópicas (idénticas y omnidireccionales). Estas nuevas estructuras fueron luego fabricadas y probadas, y se descubrió que superan a la armadura de octetos, un patrón geométrico estándar para estructuras de celosía impresas en 3D.

Para sorpresa de los investigadores, las cerchas parecían violar el criterio de Maxwell, una teoría de la rigidez estructural utilizada en el diseño mecánico que postula que las estructuras de carga más eficientes se deforman solo por estiramiento. En tales estructuras, la rigidez se escala linealmente con la densidad:cortar el peso de la estructura a la mitad solo reduce su rigidez a la mitad, a diferencia de las estructuras menos eficientes cuya rigidez se reduciría en tres cuartos o siete octavos. Esta escala lineal permite la creación de ultraligeros, metamateriales mecánicos ultrarrígidos.

"Hemos encontrado dos armaduras que tienen una escala lineal de rigidez con densidad cuando la sabiduría convencional, esta regla de criterio de Maxwell, no se cumple, "El coautor principal, Watts, explicó." Se creía que el criterio de Maxwell era necesario y suficiente para demostrar que tenía una alta rigidez a baja densidad. Hemos demostrado que no es una condición necesaria. En otras palabras, Existe una clase más grande de armaduras que tienen esta propiedad de escala lineal.

"Demuestra que lo que era la ortodoxia anterior no es firme, "Watts agregó." Hay excepciones, y las excepciones pueden ofrecerle mejores propiedades ".

A través de un proceso de impresión 3-D de micro-estereolitografía de proyección, que utiliza luz proyectada sobre una resina polimérica fotosensible para construir objetos capa por capa, el equipo de LLNL construyó estructuras con una celda unitaria repetida octaédrica y cúbica rectificada (ORC) diseñada para ser más rígida que una celosía de octetos de igual densidad, y con una estructura de celda unitaria repetida oblata y casi esférica octaédrica (OQSO) diseñada para ser perfectamente isotrópica, de modo que su respuesta mecánica sea uniforme independientemente de dónde se aplique una carga. Luego, los diseños se validaron experimentalmente.

Los investigadores dijeron que debido a su respuesta uniforme, Las celosías isotrópicas se pueden colocar arbitrariamente con respecto a cargas conocidas, o incluso desconocidas, permitiendo a los ingenieros producir estructuras más rígidas que las construidas con otros tipos de cerchas, como el diseño de octetos, que también es ultra rígido pero solo en ciertas direcciones.

"El truss isotrópico le permite ignorar la dirección de la carga en un escenario de caso de uso, "dijo el coautor del artículo Chris Spadaccini, director del Centro de Fabricación y Materiales de Ingeniería de LLNL. "Por ejemplo, ya no tendrá que preocuparse por el ángulo del que proceden las cargas. Este trabajo realmente muestra que existe un nuevo método que puede mejorar el desempeño, pero no ha sido explorado porque viola la sabiduría convencional ".

Los investigadores dijeron que el trabajo también demuestra que al usar la optimización de topología, los ingenieros pueden diseñar nuevas estructuras que superen a las creadas con enfoques tradicionales de "diseño por regla".

El coautor principal Wen Chen dirigió el trabajo de pruebas experimentales y mecánicas mientras realizaba un posdoctorado en LLNL y ahora es profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Massachusetts Amherst. Chen probó las muestras en diferentes densidades para ver qué pasaría cuando se comprimieran en diferentes ángulos para validar sus propiedades isotrópicas. Chen dijo que estaba sorprendido por los resultados y que la investigación ha "mejorado la promesa" de reemplazar el diseño clásico de celosía de octetos.

"Demuestra que puede usar esta herramienta computacional para diseñar la estructura para cumplir con su rendimiento objetivo; esto abre un nuevo modo de diseño para materiales arquitectónicos, "Dijo Chen." En segundo lugar, mejora la eficiencia mecánica del diseño arquitectónico. Para entornos en los que puede tener estados de estrés complejos, desea que sea lo más isotrópico posible. Esto amplía la aplicación de nuestras celosías porque en una aplicación real a menudo se necesita un material que pueda soportar cargas desde múltiples direcciones ".

El trabajo es parte de un esfuerzo continuo en LLNL para utilizar enfoques computacionales para optimizar el diseño de piezas impresas en 3D. Vatios que trabaja en el Centro de Diseño y Optimización de LLNL, dijo que las estructuras isotrópicas fueron diseñadas en su totalidad a través de modelos informáticos. Los nuevos diseños, así como los algoritmos utilizados para desarrollarlos, se están incorporando al código de optimización de diseño de Livermore (LiDO) para que estos avances estén disponibles para otras áreas programáticas del laboratorio. Por ejemplo, Los investigadores ya han utilizado este enfoque para desarrollar una celda unitaria a medida para las aplicaciones de la Instalación Nacional de Ignición.

Los investigadores dijeron que las armaduras isotrópicas podrían extenderse a metales y cerámicos impresos en 3D y resultar útiles dondequiera que estén rígidos. sin embargo, se necesita material liviano, como en aplicaciones biológicas como tejidos impresos en 3D, donde la rigidez sintonizable es esencial. El campo aeroespacial también exige estas propiedades. En drones o aviones de combate, por ejemplo, Reducir el peso estructural tiene el doble beneficio de aumentar la maniobrabilidad y reducir las fuerzas de inercia. permitiendo un rendimiento extremo.

Los diseños livianos también podrían reducir los costos de producción, uso de combustible y desperdicio de material, y tener una serie de otros beneficios a medida que los ingenieros avanzan hacia estructuras más optimizadas, Dijo Watts. Los investigadores agregaron que el último documento es uno de los varios esfuerzos simultáneos en LLNL para diseñar una nueva biblioteca de celdas unitarias con propiedades específicamente diseñadas para las misiones del laboratorio.

"Queremos ampliar el espacio de diseño más allá de los diseños intuitivos, ", Dijo Spadaccini." La esperanza a largo plazo es que dejemos de elegir el último diseño de celosía en la literatura y avancemos hacia la creación y el uso de nuestra propia biblioteca de materiales. Podemos utilizar estos métodos para nuestras necesidades específicas, y los materiales funcionarán mejor como resultado. Por último, nos gustaría que nuestros analistas de ingeniería en LLNL usaran esto como si fuera una herramienta de diseño ".

Watts y su equipo continúan su trabajo para incluir una caracterización más completa de las estructuras de celosía, considerando la física más allá de la elasticidad lineal, incluida la transferencia de calor, mecánica no lineal, vibración y falla. Comprender su respuesta a través de una variedad de fenómenos da como resultado un diseño más preciso de estructuras de múltiples escalas construidas con estos nuevos metamateriales.