Charakterisierung dissipativer, elastischer Metamaterialien, die durch additive Fertigung hergestellt werden

Meine Forschung zielt darauf ab, die viskoelastischen Eigenschaften von aktiv hergestellten Polymeren zu charakterisieren und den Einfluss auf die Dynamik elastischer Metamaterialien zu untersuchen. Ich versuche zu verstehen, wie diese Eigenschaften die Abnutzung von Wellen bei Betriebsfrequenzen beeinflussen können, was eine präzise Charakterisierung und mögliche Modifikationen beinhalten kann. Die Charakterisierung von Polymeren erfordert Fachwissen in Materialwissenschaften, Radiologie, spezialisierte Aufbauten und Schulungen, die für Forscher im Bereich Metamaterialien oft fehlen.

In ähnlicher Weise werden bei der Ultraschallanalyse von Wellendämpfung und Metamaterialien Techniken eingesetzt, die Chemieingenieuren unbekannt sind. Folglich stellt die Zusammenführung dieser beiden Bereiche erhebliche experimentelle Herausforderungen dar. Die Viskoelastizität in Polymeren ist ein komplexes Phänomen, und es gibt nur begrenzte Daten für Speicher- und Verlustmodule bei Ultraschallfrequenzen, insbesondere für additiv gefertigte Polymere.

Ziel ist es, Materialeigenschaften mit der strukturgetriebenen Dynamik von Metamaterialien zu verbinden und so ein robustes und zuverlässiges Design für gezielte Arbeitsfrequenzen zu ermöglichen. Unser Protokoll kombiniert Herstellungs-, Chemie-, Ultraschall- und chemische Tests mit numerischer Analyse, um unser Verständnis dafür zu verbessern, wie sich unsere schulischen Eigenschaften auf die Dynamik von Polymermetamaterialien auswirken. Dieses Wissen wird das Metamaterialdesign für Anwendungen in den Bereichen akustische Taktung, Wellenführung, Energiegewinnung und andere Bereiche verbessern, die eine effektive Wellenkontrolle erfordern.

Unsere zukünftigen Aktivitäten werden sich darauf konzentrieren, zu analysieren, wie sich verschiedene 3D-Druckparameter auf die viskoelastischen Eigenschaften von Endprodukten auswirken. Außerdem werden Mechanismen untersucht, um diese Eigenschaften zu modifizieren, um das dynamische Verhalten von Polymermetamaterialien zu beeinflussen. Unser Ziel ist es, genauere und effizientere Modelle zu erstellen, um das viskoelastische Verhalten in komplexen Geometrien für akustische und Ultraschallanwendungen zu simulieren.

Fertigen Sie zunächst quaderförmige Prüfmuster basierend auf den in der hier gezeigten Tabelle angegebenen Abmessungen. Definieren Sie den Prüftemperaturbereich, vermeiden Sie die Schmelztemperatur der Materialien und bleiben Sie deutlich darunter. Wählen Sie eine Heizrate zwischen einem und drei Grad Celsius pro Minute.

Für optimale Ergebnisse entscheiden Sie sich für den niedrigsten Dehnungswert. Stellen Sie die Parameter für den Frequenzdurchlauf und die Heizrate ein. Verwenden Sie für die Kalibrierung die Konfiguration mit einem Cantilever-Test.

Starten Sie den Kalibrierungsprozess, um die Genauigkeit sicherzustellen. Um die Probe zu klemmen, lösen Sie die Schrauben der stationären und verstellbaren Klemmen, wenn der Parkmodus aktiviert ist. Schieben Sie das Prüfmuster durch eine Seite und legen Sie es auf die Gewinde der Klemmen.

Ziehen Sie dann die verstellbaren Klemmen fest, gefolgt von den stationären Klemmen. Um den Ofen wieder zu installieren, stellen Sie ihn über die Testkonfiguration und geben Sie die Anfangstemperatur manuell ein. Warten Sie mindestens drei Minuten, nachdem Sie die gewünschte Temperatur erreicht haben.

Starten Sie nun die Messungen. Sobald die Messungen abgeschlossen sind und die Ofentemperatur wieder auf die Umgebungstemperatur zurückkehrt, entfernen Sie den Ofen und die Probe, exportieren Sie die Daten und verschieben Sie die Kurven mit geeigneten Verschiebungsfaktoren auf eine Referenztemperatur, um eine Masterkurve bei der Referenztemperatur zu erhalten. Beginnen Sie mit dem Modell-Assistenten, um ein neues Modell zu erstellen.

Wählen Sie die Dimension 3D-Raum aus, und fügen Sie die feste mechanische Studie hinzu. Wählen Sie dann die Frequenzbereichsstudie für die Transmissionsanalyse. Definieren Sie auf der Registerkarte Globale Definitionen relevante Parameter und weisen Sie ihnen Werte zu.

Erstellen Sie mit den verfügbaren Werkzeugen die Geometrie eines Metamaterialmodells. Klicken Sie nun mit der rechten Maustaste auf Komponenten, um auf die Registerkarte Definitionen zuzugreifen, wählen Sie Sonden und dann Begrenzungssonde aus. Weisen Sie dieser Begrenzungssonde eine Begrenzung auf dem Modell zu, an der der Übertragungsverlust berechnet werden soll.

Um eine perfekt abgestimmte Schicht oder PML zu definieren, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte Definitionen und weisen Sie den geometrischen Blöcken, die die Metamaterialgeometrie umgeben, PML-Eigenschaften zu. Wenden Sie periodische Randbedingungen auf Flächen an, die senkrecht zur Periodizitätsrichtung stehen, und aktivieren Sie das Durchgangs-KE. Klicken Sie dann mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte Materialien und fügen Sie Materialien aus der Bibliothek hinzu, um der Geometrie Materialeigenschaften zuzuweisen.

Klicken Sie auf der Registerkarte Komponente mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte linearelastische Materialien und wählen Sie das Viskoelastizitätsmaterialmodell aus. Geben Sie den abweichenden Tensor ein, der aus der Berechnung auf der Grundlage der DMA-Ergebnisse erhalten wurde. Klicken Sie anschließend mit der rechten Maustaste auf die vorgegebene Registerkarte Verschiebung, und wählen Sie im Grafikfenster einen Teil des Modells aus, der dynamisch angeregt werden soll.

Weisen Sie die Amplitude der Verschiebung außerhalb der Ebene an der erwarteten Position eines Piezoelements zu. Generieren Sie dann ein geeignetes Netz für das analysierte Modell. Wählen Sie nun eine passende Schichtfunktion aus dem Dropdown-Menü aus.

Wählen Sie keine aus, wenn die Temperatureffekte bereits in den zu verwendenden DMA-Ergebnissen berücksichtigt sind. Wählen Sie ein geeignetes viskoelastisches Modell aus und geben Sie die Werte für den abweichenden Tensor auf Basis von Berechnungen ein. Wählen Sie in der Lernbibliothek die Option Studie hinzufügen aus, wählen Sie den Frequenzbereich aus und geben Sie den Zielfrequenzbereich ein.

Drücken Sie dann die Schaltfläche Berechnen, um die Studie zu berechnen. Klicken Sie nun mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte Ergebnisse und wählen Sie die Funktion 1D-Zeichnungsgruppe. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die erstellte 1D-Zeichnungsgruppe und wählen Sie Global aus den Optionen.

Geben Sie auf der Registerkarte Daten der Y-Achse des Einstellungsfensters den mathematischen Ausdruck für den Übertragungsverlust ein und stellen Sie die Daten grafisch dar. Numerische Ergebnisse für Übertragungsberechnungen zeigten einen Abfall des Übertragungspegels um mehr als 20 Dezibel, was einer Frequenzbandlücke innerhalb des Frequenzbereichs entspricht. Wählen Sie zunächst eine geeignete Anregungsquelle auf der Grundlage numerischer Vorhersagen für einen Betriebsfrequenzbereich aus.

Bringen Sie reflektierendes Klebeband an der vorgesehenen Signalerfassungsstelle auf dem Prüfling an, um die Lasersignalerkennung zu verbessern. Passen Sie die Position und den Winkel des LDV-Lasers an, um ihn auf das reflektierende Band zu richten. Schließen Sie einen Computer an einen Signalgenerator an, gefolgt von einem Verstärker, der mit einem Piezo verbunden ist, um einen elektrischen Stromkreis zu erzeugen.

Sobald eine ordnungsgemäße Verbindung hergestellt ist, beginnen Sie mit dem Test. Um zwei separate Projekte für die Signalerzeugung und -erfassung zu erstellen, wählen Sie im Startmanager-Dialog die richtige Hardware für einen Generator und einen Digitalisierer aus. Klicken Sie auf Start, um den Vorgang auf der Registerkarte Eingabemodus zu starten, und wählen Sie einen Aufnahmemodus aus.

Wählen Sie den Standard-Einzelmodus vor, um Parameter wie die Mem-Größe anzupassen. Stellen Sie dann die gewünschte Abtastrate unter dem Clock-Tab ein. Konfigurieren Sie den Auslösemodus auf der Registerkarte Auslöser.

Um eine Einzelaufnahme zu starten, klicken Sie auf den grünen Pfeil nach rechts. Wenn Sie fertig sind, beenden Sie die Aufnahme mit der Stopp-Taste. Verwenden Sie die einfache Generatoroption der Messsoftware, um einfache Anregungsfunktionen wie Vorzeichenwellen oder Rechteckimpulse zu erzeugen.

Navigieren Sie alternativ zum neuen Tab. Wählen Sie Signalberechnungen und wählen Sie die Option Funktionsgenerator. Definieren Sie die Länge des Signals und starten Sie das Signal.

Um eine schnelle Furier-Transformation des Signals durchzuführen, wählen Sie unter Eingangskanäle die Option Signalberechnungen und dann FFT aus. Wählen Sie eine geeignete Fensterfunktion für die FFT-Berechnung. Richten Sie den LDV-Laser vor Beginn des Tests auf die Vibrationsquelle.

Senden Sie ein Signal und berechnen Sie FFT, um die Konfiguration zu überprüfen und einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Beobachten Sie in einem anderen Fenster der Messsoftware das empfangene Signal. Gleichen Sie die FFT-Ergebnisse in beiden Fenstern ab, bevor Sie mit dem Experiment fortfahren.

Um das Experiment zu starten, richten Sie den LDV-Laser auf den gewünschten Erfassungspunkt auf der Metamaterialprobe. Der Pitch-Catch-Übertragungstest ergab einen Signalabfall innerhalb des Frequenzbereichs, der auf die Frequenzbandlücke hinweist.