Caractérisation des métamatériaux élastiques dissipatifs produits par la fabrication additive

Mes recherches visent à caractériser les propriétés viscoélastiques des polymères fabriqués activement et à examiner l’impact sur la dynamique des métamatériaux élastiques. Je cherche à comprendre comment ces propriétés peuvent inférer l’attrition des ondes à des fréquences opérationnelles, ce qui peut inclure une caractérisation précise et des modifications potentielles. La caractérisation des polymères nécessite une expertise en science des matériaux, en radiologie, des configurations spécialisées et des formations, qui font souvent défaut aux chercheurs en métamatériaux.

De même, l’analyse par ultrasons de l’atténuation des ondes et des métamatériaux fait appel à des techniques inconnues des ingénieurs chimistes. Par conséquent, la fusion de ces deux domaines pose d’importants défis expérimentaux. La viscoélasticité des polymères est un phénomène complexe et il existe peu de données sur le stockage et les modules de perte aux fréquences ultrasonores, en particulier pour les polymères fabriqués de manière additive.

L’objectif est de relier les propriétés des matériaux à la dynamique structurelle des métamatériaux, permettant ainsi une conception robuste et fiable pour des fréquences de travail ciblées. Notre protocole combine des tests de fabrication, chimiques, ultrasoniques et chimiques avec une analyse numérique pour améliorer notre compréhension de la façon dont nos propriétés scolaires affectent la dynamique des métamatériaux polymères. Ces connaissances amélioreront la conception de métamatériaux pour des applications dans l’horloge acoustique, le guidage d’ondes, la récupération d’énergie et d’autres domaines nécessitant un contrôle efficace des ondes.

Nos activités futures se concentreront sur l’analyse de la façon dont différents paramètres d’impression 3D affectent les propriétés viscoélastiques des pièces finales. De plus, il explore les mécanismes permettant de modifier ces propriétés afin d’influencer le comportement dynamique des métamatériaux polymères. Notre objectif est de créer des modèles plus précis et plus efficaces pour simuler le comportement viscoélastique dans des géométries complexes pour des applications acoustiques et ultrasonores.

Pour commencer, fabriquez des échantillons d’essai cuboïdes en fonction des dimensions indiquées dans le tableau illustré ici. Définissez la plage de température d’essai, en évitant et en restant bien en dessous des matériaux, la température de fusion. Sélectionnez une vitesse de chauffage comprise entre un et trois degrés Celsius par minute.

Pour des résultats optimaux, optez pour la valeur de déformation la plus basse. Configurez les paramètres de balayage de fréquence et de vitesse de chauffage. Pour l’étalonnage, utilisez la configuration de test en porte-à-faux unique.

Lancez le processus d’étalonnage pour assurer l’exactitude. Pour le serrage de l’échantillon, desserrez les vis des pinces fixes et réglables lorsque le mode parking est activé. Faites glisser l’échantillon de test d’un côté et posez-le sur les filetages des pinces.

Serrez ensuite les pinces réglables puis les pinces fixes. Pour réinstaller le four, placez-le sur la configuration de test et entrez la température initiale manuellement. Attendez au moins trois minutes après avoir atteint la température souhaitée.

Commencez maintenant les mesures. Une fois les mesures terminées et la température du four de retour à la température ambiante, retirez le four et l’échantillon, puis exportez les données et décalez les courbes vers une température de référence en utilisant les facteurs de décalage appropriés pour obtenir une courbe maîtresse à la température de référence. Commencez par utiliser l’assistant de modèle pour créer un modèle.

Sélectionnez la cote d’espace 3D et ajoutez l’étude de mécanique solide. Choisissez ensuite l’étude du domaine fréquentiel pour l’analyse de la transmission. Sous l’onglet Définitions globales, définissez les paramètres pertinents et attribuez-leur des valeurs.

À l’aide des outils disponibles, créez la géométrie d’un modèle de métamatériaux. Faites maintenant un clic droit sur les composants pour accéder à l’onglet définitions, puis sélectionnez sondes et choisissez sonde limite. Attribuez une limite sur le modèle à cette sonde limite où l’affaiblissement de transmission doit être calculé.

Pour définir une couche ou une PML parfaitement adaptée, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’onglet définitions et attribuez des propriétés PML aux blocs géométriques entourant la géométrie du métamatériau. Appliquez des conditions aux limites périodiques sur des faces perpendiculaires à la direction de périodicité et activez la fonction de continuité. Faites ensuite un clic droit sur l’onglet Matériaux et ajoutez des matériaux à partir de la bibliothèque pour attribuer des propriétés de matériau à la géométrie.

Sous l’onglet composant, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’onglet Matériaux élastiques linéaires et sélectionnez le modèle de matériau de viscoélasticité. Entrez le tenseur déviatoire obtenu à partir du calcul, basé sur les résultats de la DMA. Ensuite, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’onglet Déplacement prescrit et sélectionnez une partie du modèle à exciter dynamiquement dans la fenêtre graphique.

Attribuez l’amplitude du déplacement hors plan à la position attendue d’un élément piézoélectrique. Générez ensuite un maillage adapté au modèle analysé. Choisissez maintenant une fonction de décalage appropriée dans le menu déroulant.

Sélectionnez Aucun si les effets de la température sont déjà pris en compte dans les résultats DMA à utiliser. Sélectionnez un modèle viscoélastique approprié et entrez les valeurs du tenseur déviatoire sur la base des calculs. Dans la bibliothèque d’études, sélectionnez l’option Ajouter une étude, sélectionnez Domaine fréquentiel et entrez la plage de fréquences cible.

Appuyez ensuite sur le bouton de calcul pour calculer l’étude. Maintenant, faites un clic droit sur l’onglet des résultats et sélectionnez la fonction de groupe de tracé 1D. Faites un clic droit sur le groupe de tracés 1D créé et choisissez global parmi les options.

Dans l’onglet des données de l’axe Y de la fenêtre des paramètres, entrez l’expression mathématique de la perte de transmission et tracez les données. Les résultats numériques pour les calculs de transmission ont montré une baisse du niveau de transmission supérieure à 20 décibels, ce qui représente un écart de bande de fréquences observé dans la gamme de fréquences. Pour commencer, choisissez une source d’excitation appropriée sur la base de prédictions numériques pour une gamme de fréquences opérationnelles.

Appliquez du ruban réfléchissant sur l’échantillon d’essai au point d’acquisition du signal prévu pour améliorer la détection du signal laser. Ajustez la position et l’angle du laser LDV pour le diriger vers la bande réfléchissante. Connectez un ordinateur à un générateur de signaux, suivi d’un amplificateur connecté à un piézo pour créer un circuit électrique.

Une fois qu’une connexion correcte est établie, commencez le test. Pour créer deux projets distincts pour la génération et l’acquisition de signaux, sélectionnez le matériel approprié dans la boîte de dialogue du gestionnaire de démarrage pour un générateur et un numériseur. Cliquez sur démarrer pour lancer le processus dans l’onglet Mode de saisie et choisissez un mode d’enregistrement.

Présélectionnez le mode unique standard, permettant d’ajuster les paramètres, comme la taille du mem. Réglez ensuite la fréquence d’échantillonnage souhaitée sous l’onglet horloge. Configurez le mode de déclenchement sous l’onglet Déclencheur.

Pour lancer un enregistrement en une seule prise, cliquez sur le bouton flèche verte qui se déplace vers la droite. Une fois cela fait, terminez l’enregistrement à l’aide du bouton d’arrêt. Utilisez l’option de générateur facile du logiciel de mesure pour générer des fonctions d’excitation simples, comme des ondes de signe ou des impulsions rectangulaires.

Vous pouvez également accéder au nouvel onglet. Choisissez les calculs de signal et choisissez l’option générateur de fonctions. Définissez la longueur du signal et démarrez le signal.

Pour effectuer une transformation de furier rapide sur le signal, sélectionnez Calculs de signal sous Canaux d’entrée et choisissez FFT. Choisissez une fonction de fenêtre appropriée pour le calcul de la FFT. Avant de commencer l’essai, pointez le laser LDV vers la source de vibration.

Envoyez un signal et calculez la FFT pour inspecter la configuration afin de garantir son bon fonctionnement. Dans une autre fenêtre du logiciel de mesure, observez le signal reçu. Faites correspondre les résultats de la FFT dans les deux fenêtres avant de poursuivre l’expérience.

Pour commencer l’expérience, pointez le laser LDV vers le point d’acquisition souhaité sur l’échantillon de métamatériau. L’essai de transmission du loquet de pas a révélé une chute du signal dans la gamme de fréquences, indiquant l’écart entre les bandes de fréquences.