LLNL: metamateriali magneticamente reattivi irrigidiscono istantaneamente strutture stampate 3D
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) spesso fa un lavoro impressionante con i materiali di stampa 3D, inclusi i metamateriali. Ora il laboratorio ha introdotto una nuova classe di metamateriali che può quasi istantaneamente rispondere e irrigidire strutture stampate in 3D quando esposte a un campo magnetico. LLNL chiama i materiali “metamateriali meccanici sensibili al campo” o FRMM. Essi coinvolgono un fluido viscoso, sensibile magneticamente che viene iniettato nei montanti cavi e travi di reticoli stampati in 3D. A differenza di altri materiali stampati 4D, la struttura generale dei FRMM non cambia. Le particelle ferromagnetiche del fluido situate nel nucleo dei fasci formano catene in risposta al campo magnetico, irrigidendo il fluido e la struttura reticolare. Questo succede in meno di un secondo.
La ricerca è documentata in un documento dal titolo ” Metamateriali meccanici rispondenti al campo. “
“In questo articolo volevamo concentrarci sul nuovo concetto di metamateriali con proprietà sintonizzabili, e anche se è un po ‘più di un processo di fabbricazione manuale, evidenzia ancora cosa si può fare, ed è quello che penso sia davvero eccitante,” ha detto l’autrice principale Julie Jackson Mancini, un ingegnere LLNL che ha lavorato al progetto dal 2014. “È stato dimostrato che attraverso la struttura, i metamateriali possono creare proprietà meccaniche che a volte non esistono in natura o possono essere altamente progettate, ma una volta che si costruisce la struttura sei bloccato con quelle proprietà. Una prossima evoluzione di questi metamateriali è qualcosa che può adattare le sue proprietà meccaniche in risposta a uno stimolo esterno. Esistono, ma rispondono cambiando forma o colore e il tempo necessario per ottenere una risposta può essere dell’ordine di minuti o ore. Con i nostri FRMM,
I ricercatori hanno iniettato un fluido magnetoreologico in strutture reticolari vuote costruite sulla piattaforma LLNL per la microstereolitografia a grande area di proiezione (LAPμSL), che è in grado di stampare oggetti 3D con caratteristiche microscopiche su aree ampie utilizzando la resina polimerea leggera e fotosensibile. Secondo Mancini, la macchina LAPμSL ha giocato un ruolo importante nello sviluppo dei nuovi metamateriali, poiché le complesse strutture tubolari dovevano essere fabbricate con pareti sottili ed essere in grado di mantenere il fluido contenuto mentre resistevano alla pressione generata durante il processo di riempimento e risposta a un campo magnetico.
L’irrigidimento del fluido e, a sua volta, le strutture stampate in 3D, è reversibile e regolabile variando la forza del campo magnetico applicato.
“Ciò che è veramente importante è che non si tratta solo di una risposta” on e off “, regolando la forza del campo magnetico applicata possiamo ottenere un’ampia gamma di proprietà meccaniche”, ha affermato Mancini. “L’idea di una sintonizzazione remota al volo apre la porta a molte applicazioni”.
Queste applicazioni includono l’assorbimento degli impatti, come i sedili automobilistici con metamateriali fluid-responsive integrati all’interno di essi insieme a sensori in grado di rilevare un incidente. I sedili si irrigidirebbero all’impatto, forse riducendo il colpo di frusta. Altre applicazioni includono caschi, bretelle cervicali, custodia per componenti ottici o robotica morbida.
Per prevedere come le strutture reticolari avrebbero risposto a un campo magnetico applicato, l’ex ricercatore di LLNL Mark Messner, che ora lavora per Argonne National Laboratory, ha sviluppato un modello da prove a singolo montante. Partendo da un modello sviluppato per prevedere le proprietà meccaniche di materiali strutturati a reticolo statico non sintonizzabili, ha aggiunto una rappresentazione di come il fluido magicamente sensibile colpisce un singolo elemento reticolare sotto un campo magnetico e ha incorporato il modello di un singolo puntone in progetti per celle e reticoli unitari. Quindi ha calibrato il modello agli esperimenti eseguiti da Mancini su tubi pieni di liquido simili ai puntoni dei reticoli. I ricercatori hanno utilizzato il modello per ottimizzare la topologia del reticolo, trovando le strutture che avrebbero comportato grandi cambiamenti nelle proprietà meccaniche come il campo magnetico è stato variato.
“Abbiamo esaminato la rigidità elastica, ma il modello (o modelli simili) può essere utilizzato per ottimizzare diverse strutture reticolari per diversi tipi di obiettivi”, ha affermato Messner. “Lo spazio di progettazione di possibili strutture reticolari è enorme, quindi il modello e il processo di ottimizzazione ci hanno aiutato a scegliere strutture probabili con proprietà favorevoli (Mancini) stampate, riempite e testate i campioni reali, che è un processo lungo.”
Mancini ha iniziato il lavoro presso l’Università della California, Davis sotto il suo consulente, professore di materiali e ingegneria Ken Loh, che ora è all’Università della California, a San Diego. Secondo Loh, il concetto è stato in parte ispirato ai sistemi di sospensione automobilistici. Hanno iniziato a studiare modi per sviluppare armature flessibili che potrebbero trasformarsi o modificarne le proprietà meccaniche secondo necessità.
“Uno dei criteri è ottenere una risposta rapida, e campi magnetici e materiali MR offrono questa capacità”, ha affermato Loh.
Ha anche detto che i ricercatori esploreranno nuovi modi per sviluppare un materiale monofase, invece di avere un liquido incorporato in un solido e razioni più elevate tra prestazioni e peso. Il lavoro futuro, ha proseguito, “potrebbe portare a nuove tecnologie, come armature flessibili per il warfighter che si irrigidiscono istantaneamente quando viene rilevata una minaccia”.
Gli autori del documento includono Julie A. Jackson, Mark C. Messner, Nikola A. Dudukovic, William L. Smith, Logan Bekker, Bryan Moran, Alexandra M. Golobic, Andrew J. Pascall, Eric B. Duoss, Kenneth J. Loh e Christopher M. Spadaccini.
