Vereinfachung des Konstruktionsprozesses für komplexe Materialien

Wissenschaftler können schnell viele zelluläre Metamaterialstrukturen entwerfen, die einzigartige mechanische Eigenschaften aufweisen.

Metamaterialien sind Strukturen, die seit langem von Interesse sind, da sie Materialeigenschaften induzieren, die sich von denen ihrer Grundmaterialien unterscheiden. Metamaterialien weisen häufig Verhaltensweisen auf, die in der Natur nicht vorkommen, wie z. B. abstimmbares, chirales, auxetisches und nichtreziprokes Verhalten.

Das Verhalten eines bestimmten Metamaterials wird in erster Linie durch seine Zellarchitektur bestimmt, bei der es sich um die regelmäßige oder zufällige räumliche Anordnung fester Bereiche und Hohlräume handelt, die zum Füllen eines bestimmten Volumens verwendet werden. Es ist jedoch schwierig zu wissen, welche Zellstruktur zu den gewünschten Eigenschaften führt. Daher können Ingenieure nur einen kleinen Teil aller hypothetisch möglichen zellulären Metamaterialien manuell untersuchen.

Eine von Forschern des MIT und des Institute of Science and Technology Austria entwickelte Berechnungsmethode macht es für Benutzer einfacher, schnell eine Metamaterialzelle aus einem dieser kleineren Gebäudekomponenten zu entwerfen und dann die Eigenschaften des fertigen Metamaterials zu bewerten.

Ihre Methode ähnelt einem speziellen CAD-System (Computer Aided Design) für Metamaterialien und ermöglicht es einem Ingenieur, selbst sehr komplizierte Metamaterialien schnell zu modellieren und mit Designs zu experimentieren, deren Konstruktion sonst Tage gedauert hätte. Da dem Benutzer alle notwendigen Bauelemente zur Verfügung stehen, kann er dank der benutzerfreundlichen Oberfläche auch den gesamten Raum potenzieller Metamaterialformen erkunden.

Liane Makatura, Absolventin der Elektrotechnik und Informatik am MIT, sagte: „Wir haben eine Darstellung entwickelt, die alle verschiedenen Formen abdecken kann, an denen Ingenieure traditionell Interesse gezeigt haben. Da man sie alle auf die gleiche Weise bauen kann, kann man häufiger zwischen ihnen wechseln.“ fließend.“

Bei der Entwicklung zellulärer Metamaterialien beginnen Wissenschaftler normalerweise mit der Auswahl einer Darstellung, die die möglichen Designs beschreibt. Diese Auswahl bestimmt die Menge der Formen, die zur Erkundung verfügbar sind.

Dies hindert sie jedoch daran, Metamaterialien zu erforschen, die auf anderen Elementen basieren, beispielsweise dünnen Platten oder 3D-Strukturen wie Kugeln. Diese Formen werden über verschiedene Darstellungen bereitgestellt, es gibt jedoch noch keinen einzigen Ansatz, mit dem alle Formen beschrieben werden können.

Makatura sagte: „Indem Sie im Voraus einen bestimmten Unterraum auswählen, schränken Sie Ihre Erkundung ein und führen eine Voreingenommenheit ein, die auf Ihrer Intuition basiert. Dies kann zwar nützlich sein, die Intuition kann jedoch falsch sein, und einige andere Formen könnten für Ihre spezielle Anwendung auch eine Erkundung wert gewesen sein.“

Wissenschaftler traten einen Schritt zurück und beobachteten sorgfältig verschiedene Metamaterialien. Sie erkannten, dass niederdimensionale Formen die Formen beschreiben könnten, aus denen die Gesamtstruktur besteht; Beispielsweise könnte ein Balken auf eine Linie oder eine dünne Schale auf eine ebene Fläche reduziert werden.

Sie beobachteten auch, dass zelluläre Metamaterialien häufig Symmetrien aufweisen, sodass nur ein kleiner Teil der gesamten Struktur dargestellt werden muss. Der Rest kann durch Drehen und Spiegeln der ersten Komponente zusammengesetzt werden.

Durch die Kombination dieser beiden Beobachtungen kamen Wissenschaftler auf die Idee, dass zelluläre Metamaterialien gut als Graphenstruktur dargestellt werden könnten.

Benutzer konstruieren ein Metamaterialskelett mithilfe ihrer graphbasierten Darstellung unter Verwendung von Eckpunkten und Kantenkonstruktionsblöcken. Beispielsweise platziert man an jedem Endpunkt des Balkens einen Scheitelpunkt und verbindet diese mit einer Linie, um eine Balkenstruktur zu konstruieren.

Die Dicke des Balkens wird dann mithilfe einer Funktion über dieser Linie angegeben, die der Benutzer so anpassen kann, dass verschiedene Teile des Balkens unterschiedliche Dicken aufweisen.

Ähnliche Schritte gelten für den Umgang mit Oberflächen; Zunächst markiert der Benutzer die Eckpunkte der wichtigsten Merkmale, bevor er eine Lösung auswählt, die auf den Rest der Oberfläche schließen lässt.

Mit diesen einfach zu verwendenden Solvern können Benutzer auch schnell eine dreifach periodische Minimaloberfläche (TPMS) erstellen, eine hochkomplexe Art von Metamaterial. Diese Strukturen sind außerordentlich stark, ihre typische Entwicklung könnte jedoch komplexer und fehleranfälliger sein.

Makatura sagte: „Sie können diese Formen auch mit unserer Darstellung kombinieren. Vielleicht könnte Ihnen eine Elementarzelle mit einer TPMS-Struktur und einer Balkenstruktur interessante Eigenschaften verleihen. Bisher wurden diese Kombinationen jedoch noch nicht ausreichend erforscht.“

Das System gibt den vollständigen graphbasierten Ansatz aus, einschließlich aller Scheitelpunkte, Kanten, Löser, Transformationen und Verdickungsoperationen, die der Benutzer verwendet hat, um zur endgültigen Struktur zu gelangen.

Designer können in jeder Bauphase eine Vorschau der aktuellen Struktur anzeigen und über die Benutzeroberfläche sofort spezifische Eigenschaften, wie z. B. die Steifigkeit, vorhersagen. Sobald ein akzeptables Design gefunden wurde, kann der Benutzer verschiedene Parameter iterativ anpassen und das Ergebnis neu bewerten.

Mit ihrem System haben Wissenschaftler Strukturen nachgebildet, die viele einzigartige Klassen von Metamaterialien umfassen. Nach dem Entwurf der Skelette wurde jedes Metamaterial innerhalb weniger Sekunden generiert.

Darüber hinaus entwickelten sie automatische Erkundungsalgorithmen, die jedem einzelnen eine Reihe von Richtlinien vorgaben, bevor sie ihn in ihrem System freigaben. Ein Computerprogramm ermittelte in einem Experiment in etwa einer Stunde über 1.000 potenzielle fachwerkbasierte Konstruktionen.

Das Team führte außerdem eine Benutzerstudie mit zehn Personen durch, die über minimale Modellierungserfahrung mit Metamaterialien verfügten. Alle sechs angebotenen Strukturen konnten von den Benutzern erfolgreich modelliert werden, und die meisten von ihnen waren der Meinung, dass die prozedurale Graphdarstellung die Aufgabe erleichterte.

Makatura sagte: „Unsere Vertretung macht alle Arten von Strukturen für die Menschen zugänglicher. Wir waren besonders zufrieden mit der Fähigkeit der Benutzer, TPMS zu generieren. Diese komplexen Strukturen sind selbst für Experten meist schwierig zu generieren. Dennoch hatte ein TPMS in unserer Studie die niedrigste durchschnittliche Modellierungszeit von allen sechs Strukturen, was überraschend und aufregend war.“

Zukünftig möchten Wissenschaftler ihre Technik durch die Einbeziehung komplexerer Verfahren zur Skelettverdickung verbessern, damit das System eine größere Vielfalt an Formen modellieren kann. Sie wollen auch weiterhin den Einsatz automatischer Generierungsalgorithmen erforschen.

Zeitschriftenreferenz: