Caracterización de metamateriales elásticos disipativos producidos por fabricación aditiva

Mi investigación tiene como objetivo caracterizar las propiedades viscoelásticas de polímeros fabricados activamente y examinar el impacto en la dinámica de los metamateriales elásticos. Busco comprender cómo estas propiedades pueden inferir el desgaste de las ondas a frecuencias operativas, lo que puede incluir una caracterización precisa y posibles modificaciones. La caracterización de polímeros requiere experiencia en ciencia de materiales, radiología, configuraciones especializadas y capacitación, de las que a menudo carecen los investigadores en metamateriales.

Del mismo modo, el análisis ultrasónico de la atenuación de las ondas y los metamateriales implica técnicas desconocidas para los ingenieros químicos. En consecuencia, la fusión de estos dos campos plantea importantes desafíos experimentales. La viscoelasticidad de los polímeros es un fenómeno complejo y hay datos limitados sobre los módulos de almacenamiento y pérdida a frecuencias ultrasónicas, en particular para los polímeros fabricados aditivamente.

El objetivo es conectar las propiedades del material con la dinámica impulsada por la estructura de los metamateriales, permitiendo así un diseño robusto y fiable para frecuencias de trabajo específicas. Nuestro protocolo combina pruebas de fabricación, químicas, ultrasónicas y químicas con análisis numéricos para mejorar nuestra comprensión de cómo nuestras propiedades escolares afectan la dinámica de los metamateriales poliméricos. Este conocimiento mejorará el diseño de metamateriales para aplicaciones en temporización acústica, guía de ondas, recolección de energía y otros campos que requieren un control efectivo de las olas.

Nuestras actividades futuras se centrarán en analizar cómo afectan los diferentes parámetros de impresión 3D a las propiedades viscoelásticas de las piezas finales. Además, explorar mecanismos para modificar estas propiedades para influir en el comportamiento dinámico de los metamateriales poliméricos. Nuestro objetivo es crear modelos más precisos y eficientes para simular el comportamiento viscoelástico en geometrías complejas para aplicaciones acústicas y ultrasónicas.

Para comenzar, fabrique muestras de prueba cuboidales en función de las dimensiones proporcionadas en la tabla que se muestra aquí. Defina el rango de temperatura de prueba, evitando y manteniéndose muy por debajo de los materiales, la temperatura de fusión. Seleccione una velocidad de calentamiento entre uno y tres grados centígrados por minuto.

Para obtener resultados óptimos, opte por el valor de deformación más bajo. Configure los parámetros para el barrido de frecuencia y la velocidad de calentamiento. Para la calibración, utilice la configuración de prueba de voladizo único.

Inicie el proceso de calibración para garantizar la precisión. Para sujetar la muestra, afloje los tornillos de las abrazaderas fijas y ajustables cuando esté activado el modo de estacionamiento. Deslice la muestra de prueba por un lado y apóyela en las roscas de las abrazaderas.

A continuación, apriete las abrazaderas ajustables seguidas de las abrazaderas estacionarias. Para volver a instalar el horno, colóquelo sobre la configuración de prueba e ingrese la temperatura inicial manualmente. Espere al menos tres minutos después de alcanzar la temperatura deseada.

Ahora comience las mediciones. Una vez que se completen las mediciones y la temperatura del horno vuelva a ser ambiente, retire el horno y la muestra, luego exporte los datos y cambie las curvas a una temperatura de referencia utilizando los factores de cambio apropiados para obtener una curva maestra a la temperatura de referencia. Comience utilizando el asistente para modelos para crear un nuevo modelo.

Seleccione la cota de espacio 3D y añada el estudio de mecánica sólida. A continuación, elija el estudio en el dominio de la frecuencia para el análisis de transmisión. En la pestaña de definiciones globales, defina los parámetros relevantes y asígneles valores.

Con las herramientas disponibles, cree la geometría de un modelo de metamaterial. Ahora haga clic con el botón derecho en componentes para acceder a la pestaña de definiciones, luego seleccione sondas y elija sondeo de límite. Asigne un límite en el modelo a esta sonda de límite donde se calculará la pérdida de transmisión.

Para definir una capa o PML perfectamente adaptada, haga clic con el botón derecho en la pestaña de definiciones y asigne propiedades PML a bloques geométricos que rodean la geometría del metamaterial. Aplique condiciones de contorno periódicas en caras perpendiculares a la dirección de la periodicidad y habilite la función de continuidad. A continuación, haga clic con el botón derecho del ratón en la pestaña de materiales y añada materiales de la biblioteca para asignar las propiedades del material a la geometría.

En la pestaña de componentes, haga clic con el botón derecho en la pestaña de materiales elásticos lineales y seleccione el modelo de material de viscoelasticidad. Introduzca el tensor desviador obtenido del cálculo, en función de los resultados de DMA. A continuación, haga clic con el botón derecho en la pestaña de desplazamiento prescrito y seleccione una parte del modelo para que se excite dinámicamente desde la ventana gráfica.

Asigne la amplitud del desplazamiento fuera del plano en la posición esperada de un elemento piezoeléctrico. A continuación, genere una malla adecuada para el modelo analizado. Ahora elija una función de cambio apropiada en el menú desplegable.

Seleccione none si los efectos de la temperatura ya se tienen en cuenta en los resultados de DMA que se van a utilizar. Seleccione un modelo viscoelástico adecuado e introduzca los valores del tensor desviador en función de los cálculos. En la biblioteca de estudio, seleccione la opción Agregar estudio, seleccione el dominio de frecuencia e introduzca el rango de frecuencia objetivo.

A continuación, pulse el botón de cálculo para calcular el estudio. Ahora, haga clic con el botón derecho en la pestaña de resultados y seleccione la función de grupo de gráficos 1D. Haga clic con el botón derecho en el grupo de trazados 1D creado y elija global de las opciones.

En la pestaña Datos del eje Y de la ventana de configuración, introduzca la expresión matemática para la pérdida de transmisión y trace los datos. Los resultados numéricos de los cálculos de transmisión mostraron una caída en el nivel de transmisión superior a 20 decibelios, lo que representa una brecha de banda de frecuencias observada dentro de la gama de frecuencias. Para comenzar, elija una fuente de excitación adecuada basada en predicciones numéricas para un rango de frecuencia operacional.

Aplique cinta reflectante a la muestra de prueba en el punto de adquisición de señal previsto para mejorar la detección de la señal láser. Ajuste la posición y el ángulo del láser LDV para dirigirlo hacia la cinta reflectante. Conecte una computadora a un generador de señales, seguido de un amplificador conectado a un piezoeléctrico para crear un circuito eléctrico.

Una vez que se establezca una conexión adecuada, comience la prueba. Para crear dos proyectos separados para la generación y adquisición de señales, seleccione el hardware adecuado en el cuadro de diálogo del administrador de inicio para un generador y un digitalizador. Haga clic en iniciar para iniciar el proceso en la pestaña de modo de entrada y elija un modo de grabación.

Preseleccione el modo único estándar, lo que permite el ajuste de parámetros, como el tamaño de la memoria. A continuación, ajuste la frecuencia de muestreo deseada en la pestaña del reloj. Configure el modo de activación en la pestaña de activación.

Para iniciar la grabación de una sola toma, haga clic en el botón de flecha verde que se mueve hacia la derecha. Una vez hecho esto, finalice la grabación con el botón de parada. Utilice la opción de generador sencillo del software de medición para generar funciones de excitación simples, como ondas de signo o pulsos rectangulares.

Alternativamente, navegue a la nueva pestaña. Elija cálculos de señal y elija la opción generador de funciones. Defina la longitud de la señal e inicie la señal.

Para realizar una transformación furier rápida en la señal, seleccione cálculos de señal en canales de entrada y elija FFT. Elija una función de ventana adecuada para el cálculo de FFT. Antes de comenzar la prueba, apunte el láser LDV a la fuente de vibración.

Envíe una señal y calcule FFT para inspeccionar la configuración y garantizar un funcionamiento adecuado. En otra ventana del software de medición, observe la señal recibida. Haga coincidir los resultados de FFT en ambas ventanas antes de continuar con el experimento.

Para iniciar el experimento, apunte el láser LDV al punto de adquisición deseado en la muestra de metamaterial. La prueba de transmisión de captura de tono reveló una caída de la señal dentro del rango de frecuencias, lo que indica la brecha de la banda de frecuencias.