Raffinare i sistemi di attuazione per una maggiore funzionalità tramite l’ottimizzazione della topologia e la stampa 3D

La recente ottimizzazione della topologia e la stampa 3D di attuatori e display magnetici multimateriali apre l’argomento del perfezionamento dei sistemi di attuazione per una maggiore funzionalità, poiché saranno progressivamente tenuti a svolgere più attività da parte di utenti esigenti. In questo studio, i ricercatori offrono un toolkit completo per l’ottimizzazione della topologia multi-obiettivo e la stampa 3D drop-on-demand multimateriale per attuatori.

Panoramica del processo di stampa 3D basato sulle specifiche. La struttura dei singoli attuatori (o la disposizione di più attuatori) è ottimizzata mediante un processo di ottimizzazione della topologia multi-obiettivo. Si noti che, in generale, la struttura ottimizzata finale può avere qualsiasi forma arbitraria, come mostrato. L’ottimizzazione utilizza le proprietà fisiche in blocco dei singoli materiali e gli obiettivi funzionali come input. La rappresentazione della struttura basata su voxel ottimizzata generata viene utilizzata dalla stampante per fabbricare la struttura ottimizzata mediante un processo di stampa a getto d’inchiostro drop-on-demand. Ciò consente di generare e fabbricare automaticamente progetti ad alta dimensione con un intervento umano minimo. In questo lavoro, un polimero di acrilato rigido (RIG), un polimero di acrilato elastico (ELA), e una nanoparticella magnetica (Fe3O4) / composito polimerico (MPC) sono i principali materiali utilizzati. Il contrasto nelle proprietà ottiche, meccaniche e magnetiche viene utilizzato per ottimizzare simultaneamente l’aspetto visivo e le forze di attuazione generando il design a livello di voxel.

Creati da un composto di nanoparticelle e polimeri, gli attuatori hanno anche componenti morbidi integrati nella loro struttura, con l’ottimizzatore della topologia che assegna materiali, oltre a perfezionare la deflessione fisica e l’aspetto. La missione di questa ricerca è quella di “sostenere” un migliore rilevamento, attuazione e calcolo all’interno dei materiali robotici con l’obiettivo generale di espandere ulteriormente la loro funzionalità. E poiché così tanti scienziati sono spesso ispirati dalla natura, gli autori citano qui l’esempio delle seppie, con un sistema di attuazione che manipola sia il fisico che l’estetico e consente il necessario camuffamento. L’imitazione di tale biologia presenta sfide, sebbene dovute a complessità nelle strutture viventi.

“Molti esempi di sistemi di attuazione contemporanei di elevata complessità sono costituiti da attuatori in microscala affiancati in array regolari”, hanno affermato i ricercatori.

“Tuttavia, l’ottimizzazione di questi sistemi di attuazione (con attuatori identici) per consumo energetico, ingombro ridotto e affidabilità del processo richiede ancora un notevole periodo di tempo.”

I progetti manuali possono essere ardui da produrre, e i ricercatori sottolineano in questo studio che è qui che si inseriscono le tecniche di ottimizzazione della topologia, con “metodi basati sul gradiente” che offrono buoni risultati per molte applicazioni diverse, per includere la progettazione non solo di strutture di cristalli fotonici ma anche meccanismi passivi e attivi e metamateriali elastici; tuttavia, tali metodi presentano anche delle sfide, lasciando al team l’integrazione di una strategia di ricottura simulata (SA).

La SA è stata utile in precedenza nella progettazione di capriate, ma il team di ricerca ha anche dovuto considerare questioni come la diffusione delle goccioline e l’uso dei materiali adeguati, nonché il ruolo che svolgono. Hanno scelto di utilizzare la stampa 3D per creare gli attuatori a causa di vantaggi quali precisione e complessità nelle strutture e capacità di utilizzare materiali diversi. La stampa è stata eseguita su una stampante 3D drop-on-demand personalizzata:

“Il design specifico dell’attuatore che dimostriamo è una struttura rigida planare costituita, ad esempio, da 186 per 186 per 160 celle che possono essere riempite con un polimero rigido trasparente o con un polimero scuro a risposta magnetica”, affermano i ricercatori.

L’ottimizzatore è responsabile del posizionamento dei materiali in relazione alle proprietà, con le immagini di input e gli angoli di inclinazione del target chiave nelle presentazioni di questo studio. I campioni sono stati stampati con inchiostri a polimerizzazione UV con diverse proprietà: ottica, magnetica, meccanica con i seguenti materiali:

Polimero rigido in acrilato (RIG)
Polimero elastico acrilato (ELA)
Nanoparticelle magnetiche / composito polimerico (MPC)
“Gli inchiostri appropriati vengono depositati dalla testina di stampa per ciascun voxel dalla pila generata di bitmap stratificate contenenti le assegnazioni di materiale. Successivamente, dopo la deposizione di inchiostri in ogni passaggio, viene utilizzato un array di diodi a emissione di luce UV (LED) per reticolare gli inchiostri mediante fotopolimerizzazione a radicali liberi “, affermano i ricercatori.

Il team di ricerca ha preso atto delle “richieste” nel processo per un inchiostro più funzionale, sebbene durante la loro sperimentazione abbiano scoperto che aumentare la forza di attuazione ma ridurre la potenza era semplice, richiedendo loro solo di perfezionare il caricamento delle nanoparticelle di inchiostro. Hanno anche notato instabilità durante il caricamento di nanoparticelle oltre il 12% in peso, insieme all’intasamento negli ugelli.

“Nonostante le restanti sfide nello sviluppo di nuovi inchiostri e materiali, attualmente è possibile fabbricare un’ampia gamma di materiali utilizzando questo processo: polimeri acrilici rigidi ed estensibili vulcanizzabili ai raggi UV, elettroliti liquidi e film conduttivi e semiconduttori”, hanno concluso i ricercatori. “Utilizzando processi di stampa simili, altri gruppi hanno dimostrato una vasta gamma di attuatori diversi, inclusi attuatori in elastomero dielettrico ad azionamento elettrico.”

La flessibilità a livello di Voxel nelle scelte di materiali sia dal punto di vista della fabbricazione che dell’ottimizzazione della forma consente i primi passi verso la progettazione e la fabbricazione completamente automatizzate di dispositivi complessi e multimateriali.

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