I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno progettato una nuova classe di strutture reticolari stampate in 3D che combinano leggerezza ed elevata rigidità, nonostante infranga una regola precedentemente ritenuta necessaria per esibire tali proprietà. Una delle nuove strutture mostra inoltre una risposta perfettamente uniforme alle forze in tutte le direzioni.

Come descritto in un articolo pubblicato oggi da Progressi scientifici , un team LLNL co-guidato dall'ingegnere Seth Watts ha utilizzato il software di ottimizzazione della topologia che Watts ha scritto per creare due design unici di celle unitarie composti da tralicci micro-architettati, uno dei quali è stato progettato per avere proprietà del materiale isotrope (identiche e omnidirezionali). Queste nuove strutture sono state quindi fabbricate e testate, e sono stati trovati per superare l'ottetto traliccio, un modello geometrico standard per strutture reticolari stampate in 3D.

Con grande sorpresa dei ricercatori, le capriate sembravano violare il criterio di Maxwell, una teoria della rigidità strutturale utilizzata nella progettazione meccanica che postula che le strutture portanti più efficienti si deformino solo per stiramento. In tali strutture, la rigidità scala linearmente con la densità:dimezzare il peso della struttura riduce solo della metà la sua rigidità, al contrario di strutture meno efficienti la cui rigidità sarebbe ridotta di tre quarti o sette ottavi. Questo ridimensionamento lineare consente la creazione di ultraleggeri, metamateriali meccanici ultrarigidi.

"Abbiamo trovato due tralicci che hanno una scala lineare della rigidità con la densità quando la saggezza convenzionale - questa regola del criterio di Maxwell - non è soddisfatta, "Il co-autore principale Watts ha spiegato. "Si era creduto che il criterio di Maxwell fosse necessario e sufficiente per dimostrare che si aveva un'elevata rigidità a bassa densità. Abbiamo dimostrato che non è una condizione necessaria. In altre parole, esiste una classe più ampia di tralicci che hanno questa proprietà di scala lineare.

"Dimostra che quella che era l'ortodossia precedente non è ferma, " ha aggiunto Watts. "Ci sono eccezioni, e le eccezioni in realtà possono darti proprietà migliori."

Attraverso un processo di stampa 3D di micro-stereolitografia a proiezione, che utilizza la luce proiettata su una resina polimerica fotosensibile per costruire oggetti strato per strato, il team LLNL ha costruito strutture con una cella unitaria ripetitiva ottaedrica e cubica rettificata (ORC) progettata per essere più rigida di un traliccio a ottetto di uguale densità, e con una struttura cellulare unitaria ripetitiva oblata e quasi sferica ottaedrica (OQSO) progettata per essere perfettamente isotropa, in modo che la sua risposta meccanica sia uniforme indipendentemente da dove viene applicato un carico. I disegni sono stati poi validati sperimentalmente.

I ricercatori hanno affermato che a causa della loro risposta uniforme, i reticoli isotropi possono essere posizionati arbitrariamente rispetto a carichi noti o addirittura sconosciuti, consentendo agli ingegneri di produrre strutture più rigide rispetto a quelle costruite con altri tipi di capriate come il design dell'ottetto, che è anche ultra rigido ma solo in determinate direzioni.

"Il traliccio isotropico consente di ignorare la direzione del carico in uno scenario di caso d'uso, ", ha affermato il coautore dell'articolo Chris Spadaccini, direttore del Center for Engineered Materials and Manufacturing di LLNL. "Per esempio, non dovresti più preoccuparti dell'angolo da cui provengono i carichi. Questo lavoro mostra davvero che esiste un nuovo metodo che può ottenere prestazioni migliori, ma non è stato esplorato perché viola la saggezza convenzionale".

I ricercatori hanno affermato che il lavoro dimostra anche che utilizzando l'ottimizzazione della topologia, gli ingegneri possono progettare nuove strutture che superano quelle create con i tradizionali approcci "design-by-rule".

Il co-autore principale Wen Chen ha guidato il lavoro di test sperimentali e meccanici mentre era postdoc presso LLNL ed è ora assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Massachusetts Amherst. Chen ha testato i campioni a diverse densità per vedere cosa sarebbe successo quando fossero stati compressi ad angoli diversi per convalidare le loro proprietà isotrope. Chen si è detto sorpreso dai risultati e che la ricerca ha "migliorato la promessa" di sostituire il classico design a traliccio a ottetto.

"Dimostra che puoi utilizzare questo strumento di calcolo per progettare la struttura in modo da soddisfare le tue prestazioni target:questo apre un nuovo modo di progettare per i materiali architettati, " Disse Chen. "In secondo luogo, migliora l'efficienza meccanica della progettazione architettonica. Per ambienti in cui potresti avere stati di stress complessi, vuoi averlo il più isotropo possibile. Ciò amplia l'applicazione dei nostri reticoli perché in un'applicazione reale spesso è necessario un materiale che possa sopportare carichi da più direzioni."

Il lavoro fa parte di uno sforzo in corso presso LLNL per utilizzare approcci computazionali per ottimizzare la progettazione di parti stampate in 3D. Watt, che lavora sotto il Centro per la progettazione e l'ottimizzazione di LLNL, ha detto che le strutture isotrope sono state progettate interamente attraverso la modellazione al computer. I nuovi disegni, così come gli algoritmi utilizzati per svilupparli, vengono incorporati nel codice di Livermore Design Optimization (LiDO) per rendere disponibili questi progressi ad altre aree programmatiche di Lab. Ad esempio, i ricercatori hanno già utilizzato questo approccio per sviluppare una cella unitaria su misura per le applicazioni del National Ignition Facility.

I ricercatori hanno affermato che i tralicci isotropi potrebbero essere estesi in metalli e ceramiche stampati in 3D e rivelarsi utili ovunque rigidi, ma è necessario materiale leggero, come nelle applicazioni biologiche come i tessuti stampati in 3D, dove la rigidità sintonizzabile è essenziale. Anche il settore aerospaziale richiede queste proprietà. Nei droni o negli aerei da combattimento, Per esempio, la riduzione del peso strutturale ha il duplice vantaggio di aumentare la manovrabilità e ridurre le forze d'inerzia, consentendo prestazioni estreme.

I design leggeri potrebbero anche ridurre i costi di produzione, consumo di carburante e spreco di materiale, e hanno una serie di altri vantaggi man mano che gli ingegneri si spostano verso strutture più ottimizzate, ha detto Watt. I ricercatori hanno aggiunto che l'ultimo documento è uno dei numerosi sforzi simultanei di LLNL per progettare una nuova libreria di celle unitarie con proprietà specificamente adattate alle missioni di laboratorio.

"Vogliamo espandere lo spazio di progettazione oltre i design intuitivi, " Ha detto Spadaccini. "La speranza a lungo termine è che ci allontaniamo dal solo scegliere l'ultimo progetto di reticolo in letteratura e ci muoviamo verso la creazione e l'utilizzo della nostra libreria di materiali. Possiamo utilizzare questi metodi per le nostre esigenze specifiche, e di conseguenza i materiali funzioneranno meglio. In definitiva, vorremmo che i nostri analisti ingegneristici di LLNL lo utilizzassero come se fosse uno strumento di progettazione."

Watts e il suo team stanno continuando il loro lavoro per includere una caratterizzazione più completa delle strutture reticolari, considerando la fisica oltre l'elasticità lineare, compreso il trasferimento di calore, meccanica non lineare, vibrazioni e guasti. Comprendere la loro risposta in una serie di fenomeni si traduce in una progettazione più accurata di strutture multiscala costruite utilizzando questi nuovi metamateriali.