现场响应机械超材料瞬间硬化3D打印结构

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）经常使用包括超材料在内的3D打印材料做出令人印象深刻的工作。现在，该实验室引入了一类新的超材料，当暴露在磁场中时，它几乎可以立即响应和加强3D打印结构。LLNL称材料为“现场响应机械超材料”或FRMM。它们涉及粘性的磁响应流体，其被注入空心支柱和3D打印格子束中。与其他4D打印材料不同，FRMM的整体结构不会改变。位于梁的核心中的流体的铁磁颗粒响应于磁场形成链，使流体和晶格结构变硬。这发生在不到一秒钟。该研究记录在题为“现场响应机械超材料”的论文中。

“在本文中，我们真的希望专注于具有可调属性的超材料的新概念，即使它只是一个手工制作过程，它仍然突出了可以做的事情，这就是我认为真正令人兴奋的事情，”主要作者Julie Jackson Mancini是LLNL工程师，自2014年以来一直致力于这个项目的研究。“已经证明，通过结构，超材料可以创造有时在自然界中不存在或者可以高度设计的机械特性，但是一旦你建立起来你坚持使用这些属性的结构。这些超材料的下一个演变是可以调整其机械特性以响应外部刺激的东西。那些存在，但它们通过改变形状或颜色来响应，而响应所花费的时间可能是几分钟或几小时。使用我们的FRMM，整体形式不会改变，响应非常快，这使得它与其他材料区别开来。”

研究人员将磁流变液注入基于LLNL大面积投影微光刻（LAPμSL）平台的空心晶格结构中，该平台能够使用光和光敏聚合物树脂在宽区域内对具有微尺度特征的物体进行3D打印。根据Mancini的说法，LAPμSL机器在新的超材料的开发中发挥了重要作用，因为复杂的管状结构需要用薄壁制造并且能够保持流体包含，同时承受填充过程中产生的压力和对磁场的反应。

通过改变所施加的磁场的强度，流体的加强以及3D打印结构的加强是可逆的和可调的。“真正重要的是它不仅仅是一个开关响应，通过调整所施加的磁场强度，我们可以获得广泛的机械性能，”曼奇尼说。 “实时远程可调性的想法为许多应用打开了大门。”

这些应用包括冲击吸收，例如汽车座椅，其中集成了流体响应超材料以及可以检测碰撞的传感器。座椅在撞击时会变硬，可能会减少伤亡。其他应用包括头盔，颈部支架，光学组件外壳或软机器人。

为了预测晶格结构如何响应所施加的磁场，现在为国家实验室工作的前LLNL研究员Mark Messner从单支柱测试开发了一个模型。从他开发的模型开始预测非可调静态晶格结构材料的机械性能，他补充说明了磁场响应流体如何影响磁场下的单个晶格元件，并将单个支柱的模型合并到设计好的单元格里，然后，他将模型校准到实验中，Mancini在类似于格子中的支柱的流体填充管上进行实验。研究人员使用该模型来优化晶格的拓扑结构，找到随着磁场变化而导致机械性能发生较大变化的结构。

“我们研究了弹性刚度，但模型（或类似模型）可用于针对不同类型的目标优化不同的晶格结构，”Messner说。“可能的晶格结构的设计空间是巨大的，因此模型和优化过程帮助我们在打印，填充和测试实际样品之前选择具有有利特性的可能结构。”

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