Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) projetaram uma nova classe de estruturas reticuladas impressas em 3D que combinam leveza e alta rigidez, apesar de quebrar uma regra que se pensava ser necessária para exibir tais propriedades. Além disso, uma das novas estruturas exibe uma resposta perfeitamente uniforme às forças em todas as direções.

Conforme descrito em um artigo publicado hoje por Avanços da Ciência , uma equipe LLNL co-liderada pelo engenheiro Seth Watts usou um software de otimização de topologia que Watts escreveu para criar dois projetos de célula unitária compostos de treliças micro-arquitetadas, um dos quais foi projetado para ter propriedades de material isotrópicas (idênticas e omnidirecionais). Essas novas estruturas foram então fabricadas e testadas, e foram encontrados para superar a treliça de octeto, um padrão geométrico padrão para estruturas reticuladas impressas em 3D.

Para surpresa dos pesquisadores, as treliças pareciam violar o critério de Maxwell, uma teoria de rigidez estrutural usada em projetos mecânicos que postula que as estruturas de suporte de carga mais eficientes se deformam apenas por alongamento. Em tais estruturas, a rigidez escala linearmente com a densidade - cortar o peso da estrutura pela metade apenas reduz sua rigidez pela metade, em oposição a estruturas menos eficientes, cuja rigidez seria reduzida em três quartos ou sete oitavos. Este escalonamento linear permite a criação de ultraleves, metamateriais mecânicos ultra-rígidos.

"Encontramos duas treliças que têm escala linear de rigidez com densidade quando a sabedoria convencional - esta regra de critério de Maxwell - não é satisfeita, "O co-autor principal Watts explicou." Acreditava-se que o critério de Maxwell era necessário e suficiente para mostrar que você tinha alta rigidez em baixa densidade. Mostramos que não é uma condição necessária. Em outras palavras, há uma classe maior de treliças que possuem essa propriedade de dimensionamento linear.

“Isso mostra que o que era a ortodoxia anterior não é firme, "Watts acrescentou." Há exceções, e as exceções podem, na verdade, oferecer propriedades melhores. "

Por meio de um processo de impressão 3D de microestereolitografia de projeção, que usa luz projetada em uma resina de polímero fotossensível para construir objetos camada por camada, a equipe do LLNL construiu estruturas com uma célula unitária octaédrica e cúbica retificada (ORC) repetida projetada para ser mais rígida do que uma treliça de octeto de igual densidade, e com uma estrutura de célula unitária octaédrica quase esférica e oblata repetitiva (OQSO) projetada para ser perfeitamente isotrópica, de modo que sua resposta mecânica seja uniforme, independentemente de onde a carga é aplicada. Os projetos foram então validados experimentalmente.

Os pesquisadores disseram que, devido à sua resposta uniforme, redes isotrópicas podem ser colocadas arbitrariamente em relação a cargas conhecidas - ou mesmo desconhecidas, permitindo que os engenheiros produzam estruturas mais rígidas do que aquelas construídas com outros tipos de treliças, como o design de octeto, que também é ultra-rígido, mas apenas em certas direções.

"A treliça isotrópica permite que você desconsidere a direção da carga em um cenário de caso de uso, "disse o co-autor do artigo Chris Spadaccini, diretor do Centro de Materiais de Engenharia e Manufatura do LLNL. "Por exemplo, você não teria mais que se preocupar com o ângulo de origem das cargas. Este trabalho realmente mostra que há um novo método que pode melhorar o desempenho, mas não foi explorado porque viola a sabedoria convencional. "

Os pesquisadores disseram que o trabalho também prova que, usando a otimização da topologia, os engenheiros podem projetar novas estruturas que superem as criadas com as abordagens tradicionais de "design por regra".

O co-autor Wen Chen liderou o trabalho de teste experimental e mecânico enquanto fazia pós-doutorado no LLNL e agora é professor assistente de engenharia mecânica na Universidade de Massachusetts Amherst. Chen testou as amostras em diferentes densidades para ver o que aconteceria quando fossem comprimidas em diferentes ângulos para validar suas propriedades isotrópicas. Chen disse que ficou surpreso com os resultados e que a pesquisa "melhorou a promessa" de substituir o design de treliça de octeto clássico.

"Isso mostra que você pode usar esta ferramenta computacional para projetar a estrutura para atender ao seu desempenho desejado - isso abre um novo modo de design para materiais arquitetônicos, "Disse Chen." Em segundo lugar, melhora a eficiência mecânica do design arquitetado. Para ambientes onde você pode ter estados de estresse complexos, você deseja que seja o mais isotrópico possível. Isso expande a aplicação de nossas treliças porque, em uma aplicação real, você geralmente precisa de um material que possa ser carregado de várias direções. "

O trabalho é parte de um esforço contínuo do LLNL para usar abordagens computacionais para otimizar o design de peças impressas em 3D. Watts, que trabalha no Centro de Design e Otimização do LLNL, disse que as estruturas isotrópicas foram projetadas inteiramente por meio de modelagem de computador. Os novos designs, bem como os algoritmos usados ​​para desenvolvê-los, estão sendo incorporados ao código Livermore Design Optimization (LiDO) para disponibilizar esses avanços para outras áreas programáticas do laboratório. Por exemplo, os pesquisadores já usaram essa abordagem para desenvolver uma célula unitária sob medida para aplicações da National Ignition Facility.

Os pesquisadores disseram que as treliças isotrópicas poderiam ser estendidas em metais e cerâmicas impressos em 3-D e ser úteis onde quer que sejam rígidas, ainda assim é necessário material leve, como em aplicações biológicas como tecidos impressos em 3-D, onde a rigidez ajustável é essencial. O campo aeroespacial também exige essas propriedades. Em drones ou jatos de combate, por exemplo, reduzir o peso estrutural tem o duplo benefício de aumentar a capacidade de manobra e reduzir as forças inerciais, permitindo desempenho extremo.

Projetos leves também podem reduzir os custos de produção, uso de combustível e desperdício de material, e tem uma série de outros benefícios à medida que os engenheiros avançam em direção a estruturas mais otimizadas, Watts disse. Os pesquisadores acrescentaram que o último artigo é um dos vários esforços simultâneos do LLNL para projetar uma nova biblioteca de células unitárias com propriedades adaptadas especificamente para missões de laboratório.

"Queremos expandir o espaço do design para além dos designs intuitivos, "Spadaccini disse." A esperança de longo prazo é que deixemos de apenas escolher o mais recente design de treliça na literatura e passemos a criar e usar nossa própria biblioteca de materiais. Podemos usar esses métodos para nossas necessidades específicas, e os materiais terão melhor desempenho como resultado. Em última análise, gostaríamos que nossos analistas de engenharia no LLNL usassem isso como se fosse uma ferramenta de design. "

Watts e sua equipe estão continuando seu trabalho para incluir uma caracterização mais completa das estruturas reticuladas, considerando a física além da elasticidade linear, incluindo transferência de calor, mecânica não linear, vibração e falha. Compreender sua resposta em uma série de fenômenos resulta em um design mais preciso de estruturas em várias escalas construídas usando esses novos metamateriais.