Lab entwickelt Metamaterialien, die mechanische Eigenschaften unter Magnetfeldern verändern

Die Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine neue Klasse von Metamaterialien eingeführt, die 3D-gedruckte Strukturen bei Einwirkung eines Magnetfelds nahezu sofort ansprechen und versteifen können, eine Entwicklung, die auf Helme der nächsten Generation, tragbare Rüstungen und könnte von anderen Innovationen benutzt werden.

Die von Lab entwickelten “Field-Responsive Mechanical Metamaterials” (FRMMs) verwenden eine viskose, magnetisch reagierende Flüssigkeit, die manuell in die Hohlstreben und Balken von 3D-gedruckten Gittern eingespritzt wird. Im Gegensatz zu anderen formveränderlichen oder sogenannten 4D-gedruckten Materialien (die vierte Dimension ist die Zeit), ändert sich die Gesamtstruktur der FRMMs nicht. Die ferromagnetischen Partikel des Fluids, die sich im Kern der Strahlen befinden, bilden als Reaktion auf das Magnetfeld Ketten, die das Fluid und die Gitterstruktur versteifen. Diese Reaktion erfolgt schnell – in weniger als einer Sekunde. Die Forschung erscheint auf dem Cover der heute online veröffentlichten Zeitschrift Science Advances.

„In diesem Artikel wollten wir uns wirklich auf das neue Konzept von Metamaterialien mit einstellbaren Eigenschaften konzentrieren. Obwohl es sich eher um einen manuellen Herstellungsprozess handelt, wird dennoch deutlich, was getan werden kann. Das finde ich wirklich aufregend.“ sagte die Hauptautorin Julie Jackson Mancini, ein LLNL-Ingenieur, der seit 2014 an dem Projekt arbeitet. „Es hat sich gezeigt, dass Metamaterialien durch ihre Struktur mechanische Eigenschaften erzeugen können, die manchmal in der Natur nicht vorhanden sind oder hoch entwickelt sind, aber erst einmal gebaut werden die Struktur, die Sie mit diesen Eigenschaften stecken. Eine nächste Entwicklung dieser Metamaterialien ist etwas, das seine mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf einen äußeren Stimulus anpassen kann. Diese gibt es, aber sie reagieren, indem sie Form oder Farbe ändern, und die Zeit, um eine Antwort zu erhalten, kann in der Größenordnung von Minuten oder Stunden liegen. Bei unseren FRMMs ändert sich die Gesamtform nicht und die Antwort ist sehr schnell, was sie von diesen anderen Materialien unterscheidet.”

Die Forscher injizierten eine magnetorheologische (MR) Flüssigkeit in hohle Gitterstrukturen, die auf der LLNL-Large Area Projection Microstereolithography (LAPµSL) -Plattform aufgebaut wurden. Dabei wurden Objekte mit mikroskaligen Merkmalen mit Licht und einem lichtempfindlichen Polymerharz in 3D ausgedruckt. Mancini sagte, dass die neue Form des dynamisch anpassbaren Metamaterials einen großen Teil des Erfolgs der LAPµSL-Maschine verdankt, weil die komplexen röhrenförmigen Gitterstrukturen mit dünnen Wänden relativ zur Gesamtgröße der Struktur hergestellt werden müssen und die Flüssigkeit in der Lage halten könnten dem Druck standhalten, der während des Füllprozesses erzeugt wird, und der Reaktion auf ein Magnetfeld.

Sobald sich das magnetisch ansprechende Fluid innerhalb der Gitterstrukturen befindet, bewirkt das Anlegen eines äußeren Magnetfelds, dass sich das Fluid versteift und die gesamten 3D-gedruckten Strukturen anschließend fast sofort versteifen. Die Änderung ist leicht umkehrbar und durch Variieren der Stärke des angelegten Magnetfelds sehr gut einstellbar, sagten die Forscher.

“Was wirklich wichtig ist, ist nicht nur ein Ein- und Ausschalten, sondern durch Anpassen der angewendeten Magnetfeldstärke können wir eine breite Palette mechanischer Eigenschaften erhalten”, sagte Mancini. “Die Idee der fliegenden, ferngesteuerten Abstimmbarkeit öffnet die Tür für viele Anwendungen.”

Mancini sagte, die Technologie könnte für die Dämpfung von Stößen nützlich sein. Zum Beispiel könnten Fahrzeugsitze mit auf Flüssigkeit reagierenden Metamaterialien und Sensoren integriert sein, um einen Zusammenstoß zu erkennen, und Sitze würden sich beim Aufprall versteifen und möglicherweise die Passagierbewegung beeinträchtigen, was Peitschenschlagsyndrom verhindern könnte. Es könnte unter anderem für Helme der nächsten Generation oder Halsstützen, Gehäuse für optische Komponenten und Soft-Robotik verwendet werden.

Um vorherzusagen, wie willkürliche mit MR-Flüssigkeit gefüllte Gitterstrukturen auf ein angelegtes Magnetfeld reagieren würden, entwickelte der ehemalige LLNL-Forscher Mark Messner (jetzt ein Ingenieur des Argonne National Laboratory) ein Modell aus Einzelstrebtests.

Anhand eines Modells, das er am LLNL entwickelt hatte, um die mechanischen Eigenschaften nicht abstimmbarer statischer Gitterstrukturmaterialien vorherzusagen, fügte Messner eine Darstellung hinzu, wie sich MR-Flüssigkeit auf ein einzelnes Gitterglied unter einem Magnetfeld auswirkt, und baute das Modell einer einzelnen Strebe in Konstruktionen ein für Elementarzellen und Gitter. Von dort aus konnte er das Modell für Experimente kalibrieren, die Mancini an mit Flüssigkeit gefüllten Rohren durchgeführt hatte, ähnlich den Streben in den Gittern. Das Team nutzte das Modell, um die Topologie des Gitters zu optimieren und die Strukturen zu finden, die zu großen Änderungen der mechanischen Eigenschaften führen würden, wenn das Magnetfeld variiert wurde.

“Wir haben uns die elastische Steifigkeit angesehen, aber das Modell (oder ähnliche Modelle) kann verwendet werden, um verschiedene Gitterstrukturen für verschiedene Ziele zu optimieren”, sagte Messner. “Der Gestaltungsraum möglicher Gitterstrukturen ist riesig, so dass wir mithilfe des Modells und des Optimierungsprozesses wahrscheinlich Strukturen mit günstigen Eigenschaften ausgewählt haben, bevor (Mancini) die eigentlichen Proben gedruckt, gefüllt und getestet hat. Dies ist ein langwieriger Prozess.”

Mancini begann die Arbeit an der University of California, Davis, unter ihrem Berater, Material- und Ingenieurprofessor Ken Loh, der jetzt an der University of California in San Diego arbeitet. Loh sagte, das Konzept sei zum Teil von auf Automobilen basierenden Aufhängungssystemen inspiriert worden und habe zunächst nach Wegen gesucht, flexible Panzer zu entwickeln, die ihre mechanischen Eigenschaften je nach Bedarf verändern oder verändern können.

“Eines der Kriterien ist die schnelle Reaktion, und Magnetfelder und MR-Materialien bieten diese Fähigkeit”, sagte Loh.

Loh sagte, die Forscher würden nach neuen Wegen suchen, um ein einphasiges Material zu entwickeln, anstatt eine Flüssigkeit in festem Zustand zu haben, und ein höheres Verhältnis von Leistung zu Gewicht. Außerdem fügte er hinzu, dass zukünftige Arbeiten “zu neuen Technologien führen könnten, z der Warfighter, der sich sofort versteift, wenn eine Bedrohung entdeckt wird. “

Mancini sagte, dass sie und ihr Team weiter darauf hinarbeiten werden, Strukturen mit dem auf Magnetfelder ansprechenden Fluid zu drucken, um die manuelle Füllphase zu eliminieren und die Gesamtgröße der Strukturen zu erhöhen.

Das Laboratory Directed Research and Development Programm finanzierte die Forschung.

Weitere LLNL-Co-Autoren waren Nikola Dudukovic, William Smith, Logan Bekker, Bryan Moran, Melody Golobic, Andy Pascall, Eric Duoss und Chris Spadaccini.