2光子重合付加製造に基づく引張メタマテリアル構造

2光子重合付加製造に基づく引張メタマテリアル構造
寄稿者: 張道康、田暁勇 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

材料や構造物の破損は、金属のせん断変形、セラミックスの亀裂伝播、トラス構造の支柱の曲がりなど、局所的なメカニズムと密接に関係していることがよくあります。軽量構造では、局所的な変形が構造全体の変形破損につながることが多く、その結果、構造の有効ひずみ範囲が狭くなることがよくあります。カリフォルニア大学アーバイン校とジョージア工科大学の研究者らは、変形を非局在化し、力がかかったときに材料が均一に変形することを保証する 3D プリント張力メタマテリアルを開発しました。同じ強度の最新の格子構造と比較すると、変形可能性は 25 倍に増加し、エネルギー吸収は桁違いに増加します。この研究は、再利用可能な衝撃保護システムから適応型荷重支持構造に至るまで、高度なエンジニアリング システムの設計に重要な基盤を提供します。


図 1. 隣接するセルを繰り返し反射して構築された切頂八面体スーパーセル。

研究者らは、テンセグリティの設計原理に基づき、反射構造の切断を繰り返す八面体メタマテリアルユニットを設計し、二光子重合技術を用いた直接書き込み3Dプリントで製造した。多面体のエッジに沿った引張成分 (赤) とセル内の圧縮成分 (青) で構成される切頂八面体セル。このユニット構造は空間的に密に配列することはできませんが、図 1 に示すように、再帰反射によって 8 つのユニットからなるスーパー ユニットに形成できます。すべてのトラス部材は、平均辺長が約 950 nm の角棒として設計されました。基本単位サイズは10~20μmであり、構造の相対密度を制御することができます。比較のために、張力メタマテリアルと同じ条件下で八角形トラス構造とケルビンフォーム構造を製造しました。 3 つの構造は圧縮テストを受けました。張力メタマテリアルは応力 - ひずみ曲線と一致した非常に均一な変形を維持しましたが、後者の 2 つの構造は局所的な損傷と破損を示しました。


図2 3つの異なる構造の圧縮試験結果(左から右へ:張力メタマテリアル構造、八面体トラス構造、ケルビンフォーム構造)

ミクロンスケールのトラスとグリッドに基づくこの極めて軽量でありながら強固で剛性の高い従来の構造は、積層造形技術を使用して製造することができ、航空機、風力タービンのブレード、その他多くの用途におけるより重い構造を置き換える可能性を秘めています。引張メタマテリアルは、破壊力に対する前例のない耐性、極めて高いエネルギー吸収性、変形可能性を示し、トラスやシェルなどの軽量構造に比べて大幅に改善されています。引張メタマテリアルには、再利用可能な衝撃保護システム、大振幅振動絶縁装置、非線形荷重に効果的に耐え、破損のない可逆的な大ひずみ変形を通じて極端な力に耐えることができる適応型荷重支持構造など、有望な用途があります。

参考文献:
J Bauer、Kraus JA、Crook C、他「テンセグリティメタマテリアル:非局所的変形による故障耐性エンジニアリングシステムに向けて[J]」Advanced Materials、2021年。https://doi.org/10.1002/adma.202005647
材料、構造、二光子、重合

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