I ricercatori approfondiscono ulteriormente i metamateriali meccanici di stampa 3D
Ricercatori olandesi e italiani hanno recentemente pubblicato le loro scoperte sulla complessa ricerca di stampa 3D in metamateriali meccanici stampati in materiale plastico: progettazione razionale delle proprietà elastiche attraverso la distribuzione spaziale di fasi dure e morbide , di MJ Mirzaali, A. Caracciolo, H. Pahlavani, S. Janbaz e AA Zadpoor.
Esplorando la creazione di metamateriali meccanici oltre i precedenti progetti di microarchitetture geometriche, un gruppo di ricerca composto da scienziati di TU Delft e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, il Politecnico di Milano ha lavorato con strutture reticolari stampate in 3D per realizzare solidi cellulari multimateriali. L’obiettivo finale era quello di personalizzare il modulo elastico e le proprietà insolite come il rapporto di Poisson in direzioni diverse. Altre proprietà insolite nei metamateriali meccanici includono:
bistabilità
Metamateriali meccanici che modellano la forma
Comprimibilità negativa
Rigidità negativa
Metamateriali accartocciati
Espansione termica negativa regolabile
Alcuni studi precedenti sono stati condotti finora con il rapporto di Poisson negativo nella speranza di manipolare le proprietà per le funzioni metamateriali.
“La regolazione del rapporto di Poisson dei metamateriali meccanici in un’ampia gamma di valori negativi e positivi consente di concepire un ricco insieme di nuove funzionalità. Ad esempio, i valori negativi dei rapporti di Poisson (cioè metamateriali meccanici ausiliari) potrebbero essere combinati con valori positivi (ad esempio metamateriali meccanici convenzionali) per progettare impianti ortopedici con maggiore longevità e per consentire complesse attuazioni locali nella robotica morbida utilizzando un unico campo lontano forza “, affermano i ricercatori. “Allo stesso tempo, la personalizzazione dei valori di rigidità dei metamateriali meccanici consente la regolazione della loro capacità di carico e conformità. Per esempio, i metamateriali meccanici con rapporti di Poisson estremamente alti o negativi o negativi spesso mancano di moduli elastici alti. “
I rapporti di Poisson delle strutture a reticolo multi-materiale casuale realizzate con tre geometrie di celle unitarie.
Per questo studio, il team ha combinato nuovi disegni geometrici con distribuzioni spaziali complesse, stampati in 3D, per personalizzare il rapporto di Poisson e il modulo elastico. Hanno anche utilizzato modelli computazionali nel processo di progettazione, dopo di che molti campioni diversi sono stati stampati in 3D, con tre diverse celle di unità messe in uso. Una stampante 3D Connex3 Object500 è stata utilizzata per realizzare quindici campioni, di cui cinque sono lasciati morbidi e gli altri realizzati con più materiali. Campioni duri sono stati stampati con VeroCyan , mentre quelli morbidi sono stati realizzati con Agilus30 Black . Sono stati inoltre creati sistemi di presa e pin, utilizzando una stampante Ultimaker 3D con PLA.
“I test meccanici a trazione sono stati eseguiti sotto controllo di spostamento utilizzando una macchina di prova meccanica LLOYD (LR5K) con una cella di carico da 100 N e una velocità di corsa di 2 mm / min”, hanno affermato i ricercatori. “Il tempo, la forza e lo spostamento sono stati registrati con una frequenza di campionamento di 20 Hz. La forza e lo spostamento sono stati utilizzati per calcolare lo stress e la deformazione rispetto all’area della sezione trasversale iniziale e alla lunghezza libera iniziale dei campioni. La rigidità della struttura è stata determinata utilizzando i valori di sollecitazione e deformazione misurati. La deformazione dei campioni è stata anche rilevata da una fotocamera digitale che è stata successivamente utilizzata per calcolare i rapporti di Poisson in entrambe le direzioni utilizzando l’analisi delle immagini. “
La precisione è stata confermata per le “simulazioni numeriche” misurandole rispetto ai modelli di prova.
“I risultati di questo studio mostrano chiaramente che sia le distribuzioni casuali che razionali di una fase difficile potrebbero essere utilizzate per la personalizzazione indipendente del modulo elastico e il rapporto di Poisson di un metamateriale meccanico morbido”, hanno concluso i ricercatori.
(a) Tre geometrie di celle unitarie ðh ¼ 60;
90;
e 120Þ utilizzati per la fabbricazione di strutture reticolari.
Confronto tra risultati numerici, osservazioni sperimentali e previsioni teoriche per le strutture reticolari costituite da un materiale uniforme (morbido) e testate nelle direzioni 1 (b) e 2 (c).
Le regioni coperte dalle porzioni meccaniche di metamateriali meccanici multimateriali con tre geometrie e l’asserzione casuale di una fase dura agli elementi della struttura reticolare fino a due frazioni del materiale duro, qh¼ 25% e 50%, sono state raggiunte.
Inoltre, per calcolare il modulo elastico e il rapporto di Poisson nelle direzioni 1 (d) e 2 (e) sono stati utilizzati tre diversi valori di Eh Es.
Le specifiche rigidità elastiche, cioè normalizzate dalla massa, m, del campione sono presentate in (d) ed (e).
