Name: Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-28T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: Poznaj metody charakteryzacji właściwości lepkosprężystych polimerów wytwarzanych przyrostowo przy użyciu analizy ultradźwiękowej i modelowania numerycznego. Protokół ten umożliwia projektowanie metamateriałów do zastosowań akustycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

S.B. i A.O.K. dziękują za wsparcie finansowe dla OCENW. Projekt M.21.186 realizowany przez Holenderską Radę ds. Badań Naukowych (NWO).

Characterizing Viscoelastic Properties of 3D-Printed Polymer Metamaterials

<ol><li>Lodge, T. P., Hiemenz, P. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLodge%2C+TP+%22Polymer+Chemistry.+Third+edition%22">Polymer Chemistry. Third edition</a>. , CRC Press. Boca Raton. (2020).</li>
<li>Lakes, R. S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLakes%2C+RS+%22Viscoelastic+Solids%22">Viscoelastic Solids</a>. (1998), CRC Press. Boca Raton. (2017).</li>
<li>Manconi, E., Mace, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+the+loss+factor+of+viscoelastic+laminated+panels+from+finite+element+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J+Sound+Vib%22%5BJournal%5D)">Estimation of the loss factor of viscoelastic laminated panels from finite element analysis.</a> J Sound Vib. 329 (19), 3928-3939 (2010).</li>
<li>Moiseyenko, R. P., Laude, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Material+loss+influence+on+the+complex+band+structure+and+group+velocity+in+phononic+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+B%22%5BJournal%5D)">Material loss influence on the complex band structure and group velocity in phononic crystals.</a> Phys Rev B. 83 (6), 064301(2011).</li>
<li>Frazier, M. J., Hussein, M. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous-to-viscoelastic+transition+in+phononic+crystal+and+metamaterial+band+structures%5BTitle%5D)+AND+%22J+Acoust+Soc+Am%22%5BJournal%5D)">Viscous-to-viscoelastic transition in phononic crystal and metamaterial band structures.</a> J Acoust Soc Am. 138 (5), 3169-3180 (2015).</li>
<li>Krushynska, A. O., Kouznetsova, V. G., Geers, M. G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visco-elastic+effects+on+wave+dispersion+in+three-phase+acoustic+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Phys+Solids%22%5BJournal%5D)">Visco-elastic effects on wave dispersion in three-phase acoustic metamaterials.</a> J Mech Phys Solids. 96, 29-47 (2016).</li>
<li>Krushynska, A. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissipative+dynamics+of+polymer+phononic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Dissipative dynamics of polymer phononic materials.</a> Adv Funct Mater. 31 (30), 2103424(2021).</li>
<li>Merheb, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+and+viscoelastic+effects+in+rubber%2Fair+acoustic+band+gap+structures%3A+A+theoretical+and+experimental+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Elastic and viscoelastic effects in rubber/air acoustic band gap structures: A theoretical and experimental study.</a> J Appl Phys. 104 (6), 064913(2008).</li>
<li>Krushynska, A. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+topics+in+nanophononics+and+elastic%2C+acoustic%2C+and+mechanical+metamaterials%3A+an+overview%5BTitle%5D)+AND+%22Nanophotonics%22%5BJournal%5D)">Emerging topics in nanophononics and elastic, acoustic, and mechanical metamaterials: an overview.</a> Nanophotonics. 12 (4), 659-686 (2023).</li>
<li>Renaud, F., Dion, J. -L., Chevallier, G., Tawfiq, I., Lemaire, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+identification+method+of+viscoelastic+behavior%3A+Application+to+the+generalized+Maxwell+model%5BTitle%5D)+AND+%22Mech+Syst+Signal+Process%22%5BJournal%5D)">A new identification method of viscoelastic behavior: Application to the generalized Maxwell model.</a> Mech Syst Signal Process. 25 (3), 991-1010 (2011).</li>
<li>Lewandowski, R., Chorążyczewski, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+the+parameters+of+the+Kelvin-Voigt+and+the+Maxwell+fractional+models%2C+used+to+modeling+of+viscoelastic+dampers%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Struct%22%5BJournal%5D)">Identification of the parameters of the Kelvin-Voigt and the Maxwell fractional models, used to modeling of viscoelastic dampers.</a> Comput Struct. 88 (1-2), 1-17 (2010).</li>
<li>Lewińska, M. A., Kouznetsova, V. G., van Dommelen, J. A. W., Krushynska, A. O., Geers, M. G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+attenuation+performance+of+locally+resonant+acoustic+metamaterials+based+on+generalised+viscoelastic+modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Solids+Struct%22%5BJournal%5D)">The attenuation performance of locally resonant acoustic metamaterials based on generalised viscoelastic modelling.</a> Int J Solids Struct. 126-127, 163-174 (2017).</li>
<li>Lee, D., Kim, M., Rho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+finite+element+method+towards+acoustic+phononic+crystals+by+weak+formulation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Condens+Matter%22%5BJournal%5D)">A finite element method towards acoustic phononic crystals by weak formulation.</a> J Phys Condens Matter. 31 (37), 375901(2019).</li>
<li>Langer, P., Maeder, M., Guist, C., Krause, M., Marburg, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((More+than+six+elements+per+wavelength%3A+The+practical+use+of+structural+finite+element+models+and+their+accuracy+in+comparison+with+experimental+results%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comput+Acoust%22%5BJournal%5D)">More than six elements per wavelength: The practical use of structural finite element models and their accuracy in comparison with experimental results.</a> J Comput Acoust. 25 (04), 1750025(2017).</li>
<li>Poggetto, V. F. D., Serpa, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+wave+band+gaps+in+a+three-dimensional+periodic+metamaterial+using+the+plane+wave+expansion+method%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Mech+Sci%22%5BJournal%5D)">Elastic wave band gaps in a three-dimensional periodic metamaterial using the plane wave expansion method.</a> Int J Mech Sci. 184, 105841(2020).</li>
<li>de Oliveira, V. B. S., Schalcher, L. F. C., dos Santos, J. M. C., Miranda Jr, E. J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wave+attenuation+in+1-D+viscoelastic+phononic+crystal+rods+using+different+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Mater+Res%22%5BJournal%5D)">Wave attenuation in 1-D viscoelastic phononic crystal rods using different polymers.</a> Mater Res. 26, 10.1590/1980-5373-mr-2022-0534 (2023).</li>
<li>Xiao, Y., Wen, J., Wen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broadband+locally+resonant+beams+containing+multiple+periodic+arrays+of+attached+resonators%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Lett+A%22%5BJournal%5D)">Broadband locally resonant beams containing multiple periodic arrays of attached resonators.</a> Phys Lett A. 376 (16), 1384-1390 (2012).</li>
<li>Kulpe, J. A., Sabra, K. G., Leamy, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bloch-wave+expansion+technique+for+predicting+wave+reflection+and+transmission+in+two-dimensional+phononic+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22J+Acoust+Soc+Am%22%5BJournal%5D)">Bloch-wave expansion technique for predicting wave reflection and transmission in two-dimensional phononic crystals.</a> J Acoust Soc Am. 135 (4), 1808-1819 (2014).</li>
<li>Guo, Z., Sheng, M., Pan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexural+wave+attenuation+in+a+sandwich+beam+with+viscoelastic+periodic+cores%5BTitle%5D)+AND+%22J+Sound+Vib%22%5BJournal%5D)">Flexural wave attenuation in a sandwich beam with viscoelastic periodic cores.</a> J Sound Vib. 400, 227-247 (2017).</li>
<li>Valiya Valappil, S., Krushynska, A. O., Aragón, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analytical+characterization+of+the+dynamic+response+of+viscoelastic+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Mater+Sci%22%5BJournal%5D)">Analytical characterization of the dynamic response of viscoelastic metamaterials.</a> Comput Mater Sci. 229, 112385(2023).</li>
<li>Shi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+element+method+for+band-structure+calculations+of+3D+phononic+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+D+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Spectral element method for band-structure calculations of 3D phononic crystals.</a> J Phys D Appl Phys. 49 (45), 455102(2016).</li>
<li>Matlack, K. H., Bauhofer, A., Krödel, S., Palermo, A., Daraio, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Composite+3D-printed+metastructures+for+low-frequency+and+broadband+vibration+absorption%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Composite 3D-printed metastructures for low-frequency and broadband vibration absorption.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (30), 8386-8390 (2016).</li>
<li>Van Belle, L., Claeys, C., Deckers, E., Desmet, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+impact+of+damping+on+the+dispersion+curves+of+a+locally+resonant+metamaterial%3A+Modelling+and+experimental+validation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Sound+Vib%22%5BJournal%5D)">On the impact of damping on the dispersion curves of a locally resonant metamaterial: Modelling and experimental validation.</a> J Sound Vib. 409, 1-23 (2017).</li>
<li>D'Alessandro, L., Krushynska, A. O., Ardito, R., Pugno, N. M., Corigliano, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+design+strategy+to+match+the+band+gap+of+periodic+and+aperiodic+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">A design strategy to match the band gap of periodic and aperiodic metamaterials.</a> Sci Rep. 10 (1), 16403(2020).</li>
<li>Theobald, P., Zeqiri, B., Avison, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Couplants+and+their+influence+on+AE+sensor+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22J+Acoust+Emiss%22%5BJournal%5D)">Couplants and their influence on AE sensor sensitivity.</a> J Acoust Emiss. 26, 91-97 (2008).</li>
<li>Samykano, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+property+of+FDM+printed+ABS%3A+influence+of+printing+parameters%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Adv+Manuf+Technol%22%5BJournal%5D)">Mechanical property of FDM printed ABS: influence of printing parameters.</a> Int J Adv Manuf Technol. 102 (9-12), 2779-2796 (2019).</li>
<li>Hussein, M. I., Leamy, M. J., Ruzzene, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+Phononic+Materials+and+Structures%3A+Historical+Origins%2C+Recent+Progress%2C+and+Future+Outlook%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Mech+Rev%22%5BJournal%5D)">Dynamics of Phononic Materials and Structures: Historical Origins, Recent Progress, and Future Outlook.</a> Appl Mech Rev. 66 (4), 040802(2014).</li>
</ol>

Wszyscy autorzy oświadczają, że nie pozostają w konflikcie interesów.

Procedura drukowania 3D opisana w sekcji 1 dotyczy większości drukarek 3D FDM o rozmiarze stołu. Jednak druk 3D z ABS może być trudny, ponieważ polimer ten jest wrażliwy na zmiany temperatury. Nierównomierne nagrzewanie lub chłodzenie może powodować kurczenie się już wydrukowanych części, prowadząc do wypaczeń, pęknięć lub rozwarstwień. Aby zapobiec tym problemom, zaleca się, aby najpierw określić prawidłowe ustawienia drukowania na podstawie arkusza danych dostarczonego przez dostawcę. Następnie zaleca się unikanie silnych wahań temperatury w pobliżu drukowanej części podczas procesu drukowania. Można to osiągnąć, zamykając drukarkę 3D w pudełku lub komorze, aby utrzymać stabilne ciepłe środowisko.
Analiza termograwimetryczna (TGA) ma na celu określenie temperatury, w której rozpoczyna się rozkład materiału, ponieważ ta temperatura określa maksymalną bezpieczną temperaturę dla różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). TGA działa na zasadzie pomiaru ubytku masy materiału w funkcji temperatury. Z kolei DSC mierzy kluczowe parametry termiczne materiału, w tym temperaturę zeszklenia, temperaturę topnienia i temperaturę rekrystalizacji. Działa w oparciu o zasadę wykrywania zmian energii związanych z przemianami fazowymi. W związku z tym testy TGA i DSC służą jako techniki uzupełniające do DMA.
Bardzo ważne jest, aby dokładnie przeanalizować Tm z wykresu DSC, ponieważ poddanie dynamicznego analizatora mechanicznego stopionej próbce może spowodować uszkodzenie termopary przyrządu. Przed załadowaniem próbki należy upewnić się, że szalka pozostaje niezanieczyszczona. Zanieczyszczenie próbki obcymi substancjami może wpływać na właściwości termiczne i wprowadzać artefakty w krzywych TGA i DSC. Staranna identyfikacja Tg iT m ma kluczowe znaczenie, ponieważ służą one jako ważne parametry dla DMA.
DMA mierzy zmienność właściwości materiału badanej próbki wraz z temperaturą, w określonym przez użytkownika zakresie częstotliwości. Przyrząd DMA może wykonywać takie pomiary w zakresie częstotliwości 0,01-600 Hz. Zmienność właściwości materiałowych prostych polimerów reologicznych przy wartościach częstotliwości spoza tego zakresu można przewidzieć za pomocą superpozycji czasowo-temperaturowej7. W ten sposób uzyskuje się właściwości lepkosprężyste materiałów - moduł strat i lepkość zespoloną. Jednak praca w temperaturach zbliżonych do Tm może spowodować uszkodzenie dynamicznego analizatora mechanicznego i należy tego unikać. Poza tym praca w temperaturach zbliżonych do Tg może skutkować niespójnymi i niewiarygodnymi wynikami. Należy również pamiętać, że niezbędne jest prawidłowe wyrównanie próbki, zapewniające, że próbka jest prosta i ma gładkie, równoległe krawędzie bez wad powierzchniowych. Termopara nie może dotykać clamps w żadnym momencie pomiaru, aby uniknąć uszkodzenia.
Prawie płaskie trendy dla krzywych modułów magazynowania i strat na rysunku 4 pokazują, że ABS wydrukowany przez FDM wykazuje przede wszystkim zachowanie sprężyste w temperaturze pokojowej. Płaskość krzywej dla tangensa kąta fazowego (δ), który jest stosunkiem modułu zachowania do modułu straty, wskazuje, że Tg materiału nie leży w mierzonym zakresie temperatur. Poza tym dane dla dwóch próbek testowych o różnych orientacjach wzoru wydruku są nie do odróżnienia, co sugeruje brak znaczącego wpływu wzoru wydruku na moduły. Można to przypisać wyjątkowo niskim stratom lepkości ABS i 100% gęstości wypełnienia, które maskują wszelkie efekty wzoru. Należy jednak pamiętać, że wyniki te są raczej wyjątkiem niż regułą dla polimerów drukowanych w 3D, ponieważ straty lepkości w innych włóknach są niebagatelne. Straty te podkreślają znaczenie prowadzenia DMA dla polimerów drukowanych w 3D.
Próba rozciągania jest szeroko stosowaną techniką mechanicznej charakterystyki materiałów. Dostarcza quasi-statycznych modułów mechanicznych, np. modułu Younga i współczynnika Poissona, dla materiału badanej próbki, często o kształcie przypominającym kość (ryc. 1B). Technikę cyfrowej korelacji obrazów (DIC) można dodać, aby zapewnić prawidłowe ustawienie próbki testowej i uchwycić obrazy jej zdeformowanej powierzchni na każdym etapie obciążenia, a także przetworzyć obrazy w celu analizy pól odkształceń i przemieszczeń. Chociaż integracja DIC zapewnia wyższy poziom dokładności wyników, może prowadzić do wielu wyzwań, jeśli nie zostanie odpowiednio rozwiązana. Ważne jest, aby zastosować dobry wzór plamkowy, z pozostałościami 3D mniejszymi niż 0,4 / piksel, podczas przygotowywania próbki do DIC. Upewnij się, że próbka jest dobrze ostra i użyj odpowiednich płytek kalibracyjnych, które najlepiej pasują do pola widzenia kamery. Moduł Younga wyznaczony na podstawie próby rozciągania w tym badaniu, 0,543 GPa, dobrze zgadza się z wartością podaną (0,751 GPa) przez Samykano i wsp.26. UTM używany do testowania może mieć ograniczenia pod względem dokładności, rozdzielczości lub pojemności, co może mieć wpływ na jakość i wiarygodność wyników. Nieprawidłowe przygotowanie próbki, w tym nieprawidłowy montaż lub obróbka, może powodować błędy w pomiarze. Poślizgu próbki można uniknąć, używając papierów ściernych dla lepszego kontaktu między próbką a szczękami UTM. Dodatkowo wiele materiałów ma anizotropowe właściwości mechaniczne. Brak uwagi na zachowanie anizotropowe może prowadzić do niedokładnych przewidywań.
Symulacje numeryczne w celu oszacowania pasma wzbronionego są niezbędne do prawidłowego zdefiniowania częstotliwości pracy dla testów transmisji skoku 4,8,27. Obliczone dane przedstawione na rysunku 7B są możliwe do przewidzenia dla analizowanej konfiguracji metamateriału pokazanej na rysunku 7A. W szczególności krzywa transmisji poza częstotliwością pasma wzbronionego oscyluje wokół stałej wartości, przy czym piki oscylacji odpowiadają częstotliwościom drgań własnych ośrodka okresowego o skończonych rozmiarach27. W obrębie pasma wzbronionego transmisja jest znacznie zmniejszona, co potwierdza zdolność tego metamateriału do tłumienia fal akustycznych.
Przedstawiona procedura symulacji (sekcja 5) jest ogólna i nie ogranicza się do analizowanej geometrii lub określonego zachowania lepkosprężystego. Inne struktury metamateriałowe wykonane z różnych materiałów lepkosprężystych mogą być z powodzeniem badane w analizie transmisyjnej 7,8,20,22,24. Zachowanie materiału jest ograniczone do liniowej sprężystości lub lepkosprężystości, ponieważ materiały nieliniowe nie mogą być analizowane w dziedzinie częstotliwości4. Należy pamiętać, że analiza transmisji w innych pakietach elementów skończonych może wymagać innych kroków implementacji i innej terminologii lub poleceń dla podobnych działań. Ponadto okresowe warunki brzegowe i PML mogą być nieobecne, co wymaga poszukiwania alternatyw w celu zmniejszenia fałszywych odbić fal od granic domeny.
Testy transmisji pitch-catch mają na celu oszacowanie części energii fali akustycznej przekazywanej przez próbkę (meta)materiału oraz zidentyfikowanie (walidację) częstotliwości pasma wzbronionego. Wygodne jest ustawienie takiego testu na podstawie wstępnych numerycznych danych transmisyjnych, co pozwala na określenie zakresu częstotliwości pracy, co z kolei umożliwia wybór odpowiedniego źródła wzbudzenia 8,20,22,24. Typowe wyposażenie do badań transmisyjnych obejmuje generator sygnału do generowania sygnału wzbudzenia, wzmacniacz do zwiększania intensywności sygnału, elementy piezoelektryczne (np. dysk piezoelektryczny lub przetwornik piezoceramiczny) do przekształcania sygnałów elektrycznych w ruchy mechaniczne i odwrotnie oraz system akwizycji danych do rejestracji przesyłanych sygnałów7. Jeden element piezoelektryczny jest ściśle połączony z badaną próbką w celu wzbudzenia sygnału, podczas gdy drugi (są) używany do odbioru przesyłanego sygnału. Drugi element piezoelektryczny został tutaj zastąpiony laserowym wibrometrem dopplerowskim (LDV) do pomiarów bezdotykowych, które zapewniają lepszą jakość rejestrowanych sygnałów dzięki wyjątkowo wysokiej czułości lasera.
Uśredniony zmierzony przesyłany sygnał jest dobrze zgodny z przewidywaniami numerycznymi (rysunek 7B i rysunek 9B), czego można się spodziewać dla próbki o wyjątkowo niskich stratach lepkości. Pokazane dane w dziedzinie częstotliwości są nakładane przez szum ze względu na wysoką czułość lasera. Zalety i elastyczność wykorzystania LDV do pozyskiwania danych są oczywiste. Oprócz pomiarów bezkontaktowych i dokładnych danych, LDV umożliwia pomiar sygnału po stronie wzbudzenia poprzez skupienie lasera na próbce znajdującej się w pobliżu dysku piezoelektrycznego. Daje to możliwość oceny stosunku sygnałów przesyłanych do wejściowych, jak w symulacji numerycznej, co jest szczególnie przydatne w przypadku metamateriałów o złożonej strukturze, które wykazują podwyższony poziom wewnętrznych odbić falowych.
Można wywnioskować, że proponowany protokół charakterystyki metamateriałów lepkosprężystych może być pomocny dla badaczy pracujących w tej szybko rozwijającej się dziedzinie w pozyskiwaniu danych dla szerokiego zakresu materiałów wytwarzanych addytywnie i wykorzystaniu tych danych w analizie dynamiki metamateriałów. Ponieważ wyjątkowe właściwości tłumiące oferowane przez polimery dzięki efektom lepkosprężystym sprawiają, że są one preferowanym wyborem w stosunku do metamateriałów metalicznych lub ceramicznych, głębsze zrozumienie tych efektów jest niezbędne do dalszego zwiększenia zastosowań metamateriałów w falownictwie akustycznym, maskowaniu, akustyce podwodnej, absorpcji dźwięku, obrazowaniu medycznym, pozyskiwaniu energii i wielu innych.

Polimery wykazują większą lub mniejszą reakcję lepkosprężystwą. Oznacza to, że oprócz zachowania sprężystego opisanego modułami sprężystości (magazynowania), mają one składowe lepkie (stratne). Ubytki lepkości powodują opóźnienie w rozwoju naprężeń pod wpływem przyłożonego odkształcenia i odwrotnie. Pod wpływem wzbudzenia dynamicznego składowe naprężeń poza fazą są rozpraszane przez ciepło, zmniejszając w ten sposób energię fal akustycznych rozchodzących się w ośrodku lepkosprężystym. Zjawisko to określa się mianem tłumienia lepkiego.
Lepkość powstaje na poziomie molekularnym w wyniku względnych ruchów lub lokalnych rotacji wiązań w łańcuchach polimerowych, a zatem zależy od składu chemicznego, struktury i połączeń łańcuchów polimerowych. Ruchliwość molekularna zależy od temperatury i szybkości odkształcania, co skutkuje zachowaniem materiałów lepkosprężystych zależnym od temperatury i czasu. Wszystko to sprawia, że lepkosprężystość jest z natury złożonym zjawiskiem, które ma unikalną sygnaturę dla każdego materiału. Jednym z możliwych sposobów przybliżenia takiego zachowania jest modelowanie materiału lepkosprężystego jako układu mechanicznego składającego się ze sprężyn (Hooke'a) i (newtonowskich) tulei deski rozdzielczej1. Chociaż takie podejście całkowicie pomija strukturę molekularną materiału i całą złożoność prawdziwego procesu relaksacji, może zapewnić odpowiednie wyniki dla twardych polimerów o stosunkowo niskich stratach lepkości2.
Kluczem do uzyskania odpowiedniego modelu mechanicznego jest dostosowanie parametrów sprężyn i tulei deski rozdzielczej do danych eksperymentalnych dotyczących modułów przechowywania i strat lepkosprężystego polimeru3,4,5,6,7,8. W pracy opisano zestaw metod wyznaczania modułów lepkosprężystych polimerów wytwarzanych addytywnie i wykorzystania ich do charakteryzowania dynamiki metamateriałów elastycznych. W ten sposób dążymy do wypełnienia luki między właściwościami materiałów a dynamiką metamateriałów wynikającą ze struktury, umożliwiając bardziej solidne i niezawodne projektowanie metamateriałów dla docelowych częstotliwości roboczych.
Elastyczne metamateriały to klasa inżynieryjnych, często okresowo strukturyzowanych materiałów, które mogą manipulować falami akustycznymi w ciałach stałych w nietypowy, ale kontrolowany sposób9. Manipulacja falami jest głównie realizowana poprzez dostosowywanie pasm wzbronionych - zakresów częstotliwości, w których propagacja fal jest zabroniona4. Wyjątkowa dynamika elastycznych metamateriałów jest regulowana przez precyzyjnie dostrojoną architekturę reprezentowaną przez komórki elementarne o skomplikowanych kształtach, szczególnie w przypadku konfiguracji trójwymiarowych. Taka złożoność strukturalna może być często zrealizowana tylko przy użyciu wytwarzania przyrostowego, co sprawia, że analiza lepkosprężystości jest szczególnie istotna w przypadku elastycznych metamateriałów wytwarzanych addytywnie. Większość współczesnych badań wykorzystuje jednak zbyt uproszczone modele lepkości, takie jak Maxwell10,11 lub Kelvin-Voigt model11. Ponieważ modele te nie są w stanie opisać żadnego rzeczywistego materiału lepkosprężystego2, wnioski wyciągnięte z ich użycia nie mogą być uważane za wiarygodne. W związku z tym istnieje pilne zapotrzebowanie na bardziej realistyczne modele odwzorowujące właściwości materiału lepkosprężystego przy częstotliwościach ultradźwiękowych. Kilka badań zajęło się tą potrzebą6,8,12 i zgłosiło poważne ograniczenia komercyjnych solverów elementów skończonych ze względu na wysokie obciążenie obliczeniowe 13, zwłaszcza gdy mamy do czynienia ze złożonymi geometriami i/lub wysokimi częstotliwościami14 oraz ograniczenie w uwzględnianiu relaksacji pojedynczego modułu (w rzeczywistości obu modułów ośrodka izotropowego w trakcie relaksacji). Inna metoda analizy, np. ekspansja fali płaskiej, może zmniejszyć obciążenie obliczeniowe15, ale wymaga analitycznego opisu geometrii rozpraszacza, co ogranicza jej zastosowanie. Podejście do rozszerzania fal płaskich16,17 rozwiązuje to ograniczenie, ale zwiększa złożoność obliczeniową. Metody rozszerzania fal Blocha 18 i metody macierzy transferu19 mogą uwzględniać tylko okresowe struktury o skończonych wymiarach, które można opisać analitycznie. Podejście elementów spektralnych20,21 oferuje wydajność obliczeniową, ale jego zastosowanie jest ograniczone do bardzo niskich częstotliwości poniżej pierwszej przerwy energetycznej. Tak więc, oprócz braku danych eksperymentalnych dotyczących modułów przechowywania i strat w temperaturze pokojowej i wysokich częstotliwościach (powyżej 100 Hz), które są powszechnymi warunkami pracy dla metamateriałów elastycznych20,22,23,24, analiza ich dynamiki pozostaje wyzwaniem. Niniejsza praca ma na celu wypełnienie tych luk poprzez podsumowanie eksperymentalnych (i numerycznych) technik charakterystyki polimerów lepkosprężystych wytwarzanych addytywnie i wykonanych z nich elastycznych metamateriałów.
To podejście jest zilustrowane analizą prostego jednowymiarowego (1D) ciągłego analogu okresowego modelu masy-sprężyny wykonanego z powszechnie używanego polimeru akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i wyprodukowanego przez druk 3D z modelowaniem topionego osadzania (FDM) (Sekcja 1), dla którego można eksperymentalnie określić temperatury rozkładu i zeszklenia (Sekcja 2) oraz wyprowadzić krzywe wzorcowe dla modułów magazynowania i strat w referencyjnej temperaturze pokojowej (sekcja 3). Ponadto quasi-statyczne moduły mechaniczne można oszacować w próbach rozciągania (sekcja 4) i powiązać z ich dynamicznymi odpowiednikami. Następnie opisano metodę numeryczną modelowania charakterystyk dynamicznych metamateriału (sekcja 5), a uzyskane wyniki numeryczne zwalidowano doświadczalnie w eksperymentach transmisyjnych (sekcja 6). Na koniec omówiono możliwość zastosowania i ograniczenia metod zaproponowanych na podstawie uzyskanych wyników.

<table><tbody><tr><td>Akrylonitryl-butadien Styren&nbsp;( ABS)</td><td>BASF</td><td>https://www.xometry.com/resources/3d-printing/abs-3d-printing-filament/</td> <td>Temperatura druku: 225-245 &deg; C</td></tr><tr><td>COMSOL Multiphysics 6.0</td><td>COMSOL</td><td>https://www.comsol.com/product-download/6.0</td><td>Oprogramowanie elementów skończonych</td></tr><tr><td>System DAQ dla DIC</td><td>Dantec Dynamics</td><td>https://www.dantecdynamics.com/components/daq-controllers/</td><td></td></tr> <tr><td>Discovery DSC 25</td><td>TA Instruments</td><td>https://www.tainstruments.com/dsc-25/</td> <td>Oprogramowanie: Trios; Pan: Aluminium</td></tr><tr><td>DMA 8000</td><td>Perkin Elmer</td><td>https://www.perkinelmer.com/product/dma-8000-analyzer-qtz-window-ssti-clamp-n5330101</td><td>Oprogramowanie: PerkinElmer</td></tr><tr><td>DN2.813-04 Spectrum hybridNetbox</td><td>Spectrum Instrumentation</td><td>https://spectrum-instrumentation.com/products/details/DN2813-04.php</td><td>4-kanałowy generator sygnału i digitizer; Użyte oprogramowanie: Drukarka 3D SBench6</td></tr><tr><td>FDM Ultimaker 3.0</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/3d-printers/s-series/ultimaker-s3/</td> <td>Slicer: Jednostka laserowa Ultimaker Cura</td></tr><tr><td>Polytec OFV 534</td><td>Polytec GmbH</td><td>https://www.polytec.com/eu/vibrometry/products</td><td>Laser i głowica laserowa, w zestawie</td></tr><tr><td>Sterownik wibrometryczny Polytec OFV-5000</td><td>Polytec GmbH</td><td>https://www.polytec.com/eu/vibrometry/products</td><td>Sterownik LDV</td></tr><tr><td>Wzmacniacz mocy Typ 2718</td><td>Bruel & Kjaer</td><td>https://www.bksv.com/en/instruments/vibration-testing-equipment/vibration-amplifiers/exciters/power-amplifier-type-2718</td><td>Moc wyjściowa: 75 VA</td></tr><tr><td>PRYY-0110</td><td>PI Ceramiczne</td><td>https://www.piceramic.com/en/products/piezoceramic-components/disks-rods-and-cylinders/piezoelectric-discs-1206710</td><td>Ceramiczne dyski piezoelektryczne na bazie ceramiki, ekranowane przez Ag</td></tr><tr><td>Q400 DIC</td><td>Limess Messtechnik & Software GmbH</td><td>https://www.limess.com/en/products/q400-digital-image-correlation</td><td>Oprogramowanie: Istra4D</td></tr><tr><td>Thermogravimetric Discovery TGA 550</td><td>TA Instruments</td><td>https://www.tainstruments.com/tga-550/</td> <td>Oprogramowanie: Trios; Pan: Aluminiowa</td></tr><tr><td>maszyna do prób rozciągania UniVert 1kN</td><td>Waga komórkowa do badania biomateriałów</td><td>https://www.cellscale.com/products/univert/</td> <td>Oprogramowanie: UniVert; pojemność ogniwa obciążnikowego: 1 kN</td></tr><tr><td>WMA-300 Szybki wzmacniacz wysokiego napięcia</td><td>Falco Systems</td><td>https://www.falco-systems.com/High_voltage_amplifier_WMA-300.html</td><td>50-krotnym wzmocnieniu do +150 V i -150 V względem masy</td></tr></tbody></table>

charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

Characterizing Dissipative Elastic Metamaterials Produced by Additive Manufacturing

Zachowanie lepkosprężyste może być korzystne w zwiększaniu bezprecedensowej dynamiki metamateriałów polimerowych lub, przeciwnie, negatywnie wpływać na ich mechanizmy kontroli fal. Dlatego tak ważne jest właściwe scharakteryzowanie właściwości lepkosprężystych metamateriału polimerowego przy jego częstotliwościach roboczych, aby zrozumieć efekty lepkosprężyste. Jednak lepkosprężystość polimerów jest złożonym zjawiskiem, a dane dotyczące modułów magazynowania i strat przy częstotliwościach ultradźwiękowych są niezwykle ograniczone, zwłaszcza w przypadku polimerów wytwarzanych addytywnie. W pracy przedstawiono protokół do eksperymentalnego scharakteryzowania właściwości lepkosprężystych polimerów wytwarzanych addytywnie i wykorzystania ich w analizie numerycznej metamateriałów polimerowych. W szczególności protokół zawiera opis procesu produkcyjnego, procedury eksperymentalne do pomiaru właściwości termicznych, lepkosprężystych i mechanicznych polimerów wytwarzanych addytywnie oraz podejście do wykorzystania tych właściwości w symulacjach dynamiki metamateriałów za pomocą elementów skończonych. Wyniki numeryczne są walidowane w testach transmisji ultradźwiękowej. Aby zilustrować protokół, analiza koncentruje się na akrylonitrylu butadienieno-styrenie (ABS) i ma na celu scharakteryzowanie dynamicznego zachowania prostego metamateriału wykonanego z niego za pomocą trójwymiarowego drukowania (3D) metodą modelowania osadzania topionego (FDM). Proponowany protokół będzie pomocny dla wielu badaczy w oszacowaniu strat lepkości w drukowanych w 3D elastycznych metamateriałach polimerowych, co poprawi zrozumienie relacji materiał-właściwości dla lepkosprężystych metamateriałów i ostatecznie pobudzi wykorzystanie drukowanych w 3D polimerowych części metamateriałów w różnych zastosowaniach.

Opisany protokół został zilustrowany poprzez wytworzenie i charakterystykę próbek w kształcie kostki oraz próbek metamateriałowych wykonanych z akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS). Geometrie próbek są następujące. Wymiary próbek w kształcie kostki do badań rozciągania są zgodne z oznaczeniem D638−14. Struktura metamateriału stanowi ciągły analog jednowymiarowego modelu masa-sprężyna (Supplementary File 1), który składa się z 10 dysków o promieniu 7 mm i grubości 2 mm rozmieszczonych okresowo co 20 mm, połączonych cienkimi belkami o kwadratowym przekroju 2 mm x 2 mm. Plik STL dla struktury w kształcie kostki użytej do badań rozciągania znajduje się w Supplementary File 2.
Druk 3D próbek polimerowych 
W celu wytworzenia próbek metamateriału oraz próbek w kształcie kości stosuje się kroki opisane w sekcji 1, korzystając z drukarki 3D FDM z dwiema dyszami. W oprogramowaniu typu slicer dla dyszy 1 przypisuje się filament z akrylonitrylu butadienu styrenu (ABS), natomiast dysza 2 pozostaje wyłączona, ponieważ próbki są produkowane z jednego materiału bez struktur wsporczych. Stosowane są następujące ustawienia druku: gęstość wypełnienia 100%, liniowy wzór wypełnienia, wysokość warstwy 0.2 mm, temperatura dyszy 245 °C, temperatura stołu 100 °C, prędkość druku 40 mm/s oraz prędkość wentylatora 3%. Przekroje geometrii przedstawiono na Ryc. 1A. Aby utrzymać elementy w stałej pozycji podczas procesu druku, na powierzchni stołu drukarki nakłada się cienką warstwę kleju. Po zakończeniu druku (Ryc. 1B) wydrukowane struktury 3D są usuwane po ochłodzeniu stołu do temperatury pokojowej. Gotowe próbki wydrukowane w technologii 3D przedstawiono na Ryc. 1C.
TGA i DSC 
Analiza TGA polimeru ABS wskazuje na jednofazowy proces rozkładu, patrz Rycina 2A. Zmierzona temperatura początku rozkładu wynosi 390 °C, a całkowity rozkład następuje w temperaturze około 420 °C. Odnotowano 5% ubytek masy próbki badawczej przy 363,6 °C, co stanowiło górną granicę temperatury dla testu DSC. Wyniki DTG wykazują maksymalną szybkość rozkładu w temperaturze 404,5 °C. Rycina 2B przedstawia wyniki testu DSC przeprowadzonego w zakresie temperatur od 40 °C do 270 °C, wskazujące na temperaturę przejścia szklistego (Tg) wynoszącą 100,4 °C oraz temperaturę topnienia (Tm) wynoszącą 216,5 °C.
DMA 
Temperatura zeszklenia (Tg) wyznaczona za pomocą DSC służy jako górna granica temperatury dla testu DMA, zgodnie z celem niniejszej pracy, jakim jest charakterystyka ABS w temperaturze pokojowej. Badania DMA przeprowadzono za pomocą urządzenia DMA 8000, patrz Rysunek 3, na trzech próbkach, z których każda posiadała liniowy wzór wypełnienia ustawiony pod kątem 0° (typ 1) oraz 45° (typ 2) względem <img alt="System spektroskopowy na schemacie wzbudzenia optycznego; χ̂ jako symbol polaryzacji molekularnej." src="/files/ftp_upload/66898/66898eq05.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 1"> drukarki 3D. Zastosowano sweep częstotliwości od 0,1 do 100 Hz w temperaturach zmieniających się od 5 °C do 60 °C. Szybkość grzania ustawiono na 2 °C/min, a temperaturę zwiększano w przyrostach co 5 °C z 5-minutową przerwą izotermiczną na każdym etapie. Krzywe uzyskane w 12 różnych temperaturach przesunięto do temperatury odniesienia 25 °C przy użyciu równania Williamsa-Landela-Ferry'ego (WLF). Wynikowe dane z superpozycji czasu i temperatury (TTS) dla próbek typu 1 i typu 2 (Rysunek 4>) wykazują linię płaską dla modułu zachowawczego i modułu strat w zakresie częstotliwości od 10-7 do 108 Hz. W niektórych punktach krzywej TTS zaobserwowano pewne odchylenia w wartościach modułu strat oraz tan (δ).
Badanie rozciągania 
Badania rozciągania przeprowadzono przy użyciu maszyny wytrzymałościowej (UTM), patrz Rysunek 5, o maksymalnym udźwigu 1 kN. Parametry badania obejmowały maksymalną siłę 980 N oraz czas narastania 60 s. Ustawiono czas regeneracji 10 s, a maszyna do badań rozciągania rejestrowała 10 punktów danych siły na sekundę. Kamery o wysokiej rozdzielczości systemu DIC zarejestrowały 30 obrazów na klatkę, a analizę przeprowadzono w odniesieniu do obszaru zacieniowanego zidentyfikowanego jako wielokąt 1 na Rysunku 6A. Średnie wartości głównej odkształcenia w obszarze zacieniowanym wynoszą 1,317 (odkształcenie rozciągające) oraz -0,454 (odkształcenie ściskające). Rysunek 6B przedstawia wyniki dla współczynnika Poissona, dla którego zaobserwowano średnią wartość 0,37. Rysunek 6C przedstawia wyniki dla modułu Younga, obliczonego z nachylenia krzywej odciążenia wykazującej powrót sprężysty, co daje wartość 0,543 GPa.
Analiza elementów skończonych 
Rysunek 7A przedstawia geometrię metamateriału rozważanego w analizie transmisji, gdzie „Output plane” oznacza sondę do pomiaru sygnałów transmitowanych. Numerycznie oszacowana krzywa transmisji jest pokazana na Rysunku 7B dla przemieszczenia wzbudzenia poza płaszczyzną wynoszącego 1 μm wzdłuż <img alt="Równania równowagi statycznej ΣFx=0; ΣFy=0 wraz z diagramem; analiza sił; fizyka edukacyjna." src="/files/ftp_upload/66898/66898eq04.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Equation 4"> płaszczyzny padającej przedstawionej dla modelu na Rysunku 7A. Spadki poziomu transmisji przekraczające 20 dB, zaznaczone zacieniowanym obszarem, reprezentują przerwy wzbronione w różnych zakresach częstotliwości.
Testy transmisji typu pitch-catch 
Rycina 8 przedstawia układ zastosowany w teście transmisji typu pitch-catch, przeprowadzonym na prostym jednowymiarowym ciągłym analogu okresowego modelu masa-sprężyna wykonanym z powszechnie stosowanego polimeru ABS (Rycina 9A), z wykorzystaniem bezkontaktowego LDV. Rycina 9B przedstawia wyniki testu transmisji typu pitch-catch w dziedzinie częstotliwości dla próbki z ABS wydrukowanej w technologii 3D, identycznej z tą pokazaną na Rycynie 7A. Do aplikacji sygnału z modulacją częstotliwości w zakresie od 4 kHz do 40 kHz wykorzystano ceramiczny dysk piezoelektryczny z ekranowaniem Ag o radialnej częstotliwości rezonansowej 200 kHz (średnica 10 mm i grubość 0.2 mm). Sygnał transmitowany był rejestrowany w 10tej komórce elementarnej od strony wzbudzenia. Zarejestrowane dane w dziedzinie czasu przekształcono w dziedzinę częstotliwości za pomocą szybkiej transformaty Fouriera. Przetworzone dane wykazują spadek sygnału o ponad 20 dB przy różnych częstotliwościach, co wskazuje na przerwy wzbronione w zakresie częstotliwości, zaznaczone na niebiesko na Rycini 9B.
<img alt="Proces druku 3D z użyciem drukarki Ultimaker, od projektu CAD do obiektu fizycznego, przygotowanie próbek do próby rozciągania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Druk 3D próbek polimerowych. (A) Geometria pocięta w oprogramowaniu typu slicer. (B) Trwający proces druku 3D. (C) Wydrukowana w technologii 3D próbka ABS do próby rozciągania zgodnie ze standardem ASTM D638. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres analizy termograwimetrycznej (TGA) i różnicowej analizy termicznej (DTA) z danymi temperaturowymi." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Analiza termograwimetryczna (TGA) i różnicowa kalorymetria skanująca (DSC). Wyniki charakterystyki termicznej polimeru ABS w testach (A) TGA i DTG oraz (B) DSC. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Układ doświadczalny przepływu azotu z wlotem, wylotem, naczyniem Dewar; termoparą, zaciskami utrzymującymi próbkę." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Dynamiczna analiza mechaniczna. (A) Aparatura DMA i jej istotne elementy. (B) Obraz konfiguracji testu z pojedynczą belką wspornikową (bez próbki). (C) Obraz zacisniętej próbki w konfiguracji testu z pojedynczą belką wspornikową. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres dynamicznej analizy mechanicznej; moduł zachowawczy/strat w funkcji częstotliwości; badanie materiałów wiskoelastycznych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Wyniki superpozycji czasu i temperatury. Wyniki TTS dla polimerów ABS wydrukowanych w technologii 3D z liniowym wzorem wypełnienia ustawionym pod kątem 0° (typ 1) i 45° (typ 2) względem osi odniesienia <img alt="Schemat wzbudzenia optycznego w systemie spektroskopowym; χ̂ jako symbol polaryzacji cząsteczkowej." src="/files/ftp_upload/66898/66898eq05.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 5"> drukarki 3D: moduł zachowawczy, moduł strat oraz tan(δ). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat układu korelacji obrazów cyfrowych; kamery o wysokiej rozdzielczości, UTM, akwizycja danych do analizy." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Układ do badań rozciągania. Schemat układu do badań rozciągania, obejmujący uniwersalną maszynę wytrzymałościową (UTM) sprzężoną z układem DIC. Przedstawiono również powiększony widok próbki, aby wyróżnić wzór nakropienia na jej powierzchni. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Równowaga statyczna, pomiar odkształcenia, układ z dwiema kamerami, wykres analizy odkształcenia, krzywa naprężenie-odkształcenie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Wyniki prób rozciągania. (A) Obraz próbki testowej zarejestrowany przez obie kamery układu DIC. Wielokąt 1 to obszar uwzględniony w obliczeniach; próbka była rozciągana od lewej do prawej strony. (B) Wyniki dla współczynnika Poissona. (C) Charakterystyka naprężenie-odkształcenie wydrukowanych w technologii 3D próbek z ABS w kształcie kości (typ 2) badanych przy prędkości 50 mm/min (Test 1) oraz 5 mm/min (Test 2). Badania przeprowadzono na czterech próbkach. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat akustycznego falowodu; wykres transmisji w funkcji częstotliwości; płaszczyzny wzbudzenia i akwizycji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig07v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Analiza metodą elementów skończonych. (A) Model geometryczny do obliczeń numerycznych transmisji; ax to wymiar komórki elementarnej, d to średnica dysku, a PML oznacza warstwę idealnie dopasowaną (perfectly matched layer). (B) Wyniki numeryczne obliczeń transmisji, obszary zacienione reprezentują przerwę pasmową częstotliwości. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig07largev2.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ laserowej wibrometrii dopplerowskiej; schemat z LDV, głowicą laserową, DAQ i komputerem do analizy wibracji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig08.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8: Układ eksperymentu transmisji w konfiguracji pitch-catch. Układ testowy do eksperymentów transmisji pitch-catch z zastosowaniem bezkontaktowego laserowego wibrometru dopplerowskiego do pomiaru wibracji mechanicznych przenoszonych przez próbkę. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig08large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ macierzy dysków piezoelektrycznych z wykresem transmisji częstotliwości, ilustrujący analizę akustyczną." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66898/66898fig09v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 9"> 
Rycina 9: Wyniki eksperymentu transmisji metodą pitch-catch. (A) Zdjęcie struktury metamateriału o rozmiarze komórki jednostkowej ax = 20 mm i średnicy dysku d = 14 mm, przebadanej w eksperymencie transmisji pitch-catch. Do wzbudzania wibracji strukturalnych użyto dysku piezoelektrycznego o radialnej częstotliwości rezonansowej 200 kHz, a w celu akwizycji w różnych punktach struktury (AP1, AP2, AP3, AP4 i AP5) naklejono taśmę refleksyjną. (B) Wyniki eksperymentalne z testu transmisji pitch-catch. Rejestracja sygnału padającego i transmitowanego została przeprowadzona odpowiednio w punkcie wzbudzenia oraz w punkcie akwizycji 5 (AP5). Zakreślone obszary reprezentują eksperymentalnie oszacowaną przerwę częstotliwościową. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/66898fig09largev2.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Konfiguracja testu</td>
			<td>Próbki testowe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pojedyncza belka wspornikowa</td>
			<td>Większość próbek, z wyjątkiem cienkich warstw o grubości poniżej 0,1 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Podwójny wspornik</td>
			<td>Materiały stosunkowo miękkie w przypadku zaszumionych danych z pojedynczego wspornika</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zginanie trójpunktowe</td>
			<td>Próbki bardzo sztywne i duże</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Napięcie</td>
			<td>Bardzo cienkie warstwy o grubości &lt;0,2 mm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Konfiguracje testowe odpowiednie dla różnych próbek do DMA, sklasyfikowane na podstawie sztywności próbki.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Konfiguracje testowe</td>
			<td>Długość (mm)</td>
			<td>Szerokość (mm)</td>
			<td>Grubość (mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pojedynczy wspornik</td>
			<td>05–25</td>
			<td>04–12</td>
			<td>0.10–4.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Podwójna belka wspornikowa</td>
			<td>25–45</td>
			<td>04–12</td>
			<td>0.10–4.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zginanie trójpunkowe</td>
			<td>25–45</td>
			<td>04–12</td>
			<td>0.50–4.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Napięcie</td>
			<td>10–25</td>
			<td>04–10</td>
			<td>0.01–0.20</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Wymiary próbek testowych dla różnych konfiguracji badań w technice DMA.
Plik uzupełniający 1: Plik STL dla jednowymiarowej struktury periodycznej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/1D%20Periodic%20Structure.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2: Plik STL dla struktury typu „dog-bone” użytej do prób rozciągania. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66898/Bone_Structure.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Polimery wytwarzane addytywnie były szeroko stosowane do produkcji elastycznych metamateriałów. Lepkosprężyste zachowanie tych polimerów przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozostaje jednak słabo zbadane. Badanie to przedstawia protokół do oszacowania właściwości lepkosprężystych polimerów wydrukowanych w 3D i pokazania, jak je wykorzystać do analizy dynamiki metamateriału.

Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

Viscoelastic behavior can be beneficial in enhancing the unprecedented dynamics of polymer metamaterials or, in contrast, negatively impacting their wave ...

Moje badania mają na celu scharakteryzowanie właściwości lepkosprężystych aktywnie wytwarzanych polimerów oraz zbadanie wpływu na dynamikę metamateriałów elastycznych. Staram się zrozumieć, w jaki sposób te właściwości mogą wnioskować o ścieraniu fal przy częstotliwościach operacyjnych, co może obejmować precyzyjną charakterystykę i potencjalne modyfikacje. Charakterystyka polimerów wymaga specjalistycznej wiedzy z zakresu materiałoznawstwa, radiologii, specjalistycznych konfiguracji i szkoleń, których często brakuje badaczom zajmującym się metamateriałami.Podobnie ultradźwiękowa analiza tłumienia fal i metamateriałów obejmuje techniki nieznane inżynierom chemikom. W związku z tym połączenie tych dwóch dziedzin stanowi poważne wyzwanie eksperymentalne. Lepkosprężystość w polimerach jest złożonym zjawiskiem i istnieją ograniczone dane dotyczące modułów magazynowania i strat przy częstotliwościach ultradźwiękowych, szczególnie w przypadku polimerów wytwarzanych przyrostowo.Celem jest połączenie właściwości materiału z dynamiką metamateriałów sterowaną strukturą, umożliwiając w ten sposób solidną i niezawodną konstrukcję dla docelowych częstotliwości roboczych. Nasz protokół łączy testy produkcyjne, chemiczne, ultradźwiękowe i chemiczne z analizą numeryczną, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób nasze właściwości szkolne wpływają na dynamikę metamateriałów polimerowych. Wiedza ta poprawi projektowanie metamateriałów do zastosowań w taktowaniu akustycznym, prowadzeniu fal, pozyskiwaniu energii i innych dziedzinach wymagających skutecznej kontroli fal.Nasze przyszłe działania będą koncentrować się na analizie, jak różne parametry druku 3D wpływają na właściwości lepkosprężyste części końcowych. Badane są również mechanizmy modyfikacji tych właściwości w celu wpłynięcia na dynamiczne zachowanie metamateriałów polimerowych. Naszym celem jest stworzenie dokładniejszych i wydajniejszych modeli symulujących zachowanie lepkosprężyste w złożonych geometriach do zastosowań akustycznych i ultradźwiękowych.Aby rozpocząć, wyprodukuj prostopadłościenne próbki testowe w oparciu o wymiary podane w przedstawionej tutaj tabeli. Określ zakres temperatur testowych, unikając i pozostając znacznie poniżej materiałów, temperatury topnienia. Wybierz szybkość ogrzewania od jednego do trzech stopni Celsjusza na minutę.Aby uzyskać optymalne wyniki, wybierz najniższą wartość szczepu. Ustaw parametry przemiatania częstotliwości i szybkości ogrzewania. Do kalibracji należy użyć konfiguracji testu z pojedynczym wspornikiem.Rozpocznij proces kalibracji, aby zapewnić dokładność. Aby zacisnąć próbkę, poluzuj stacjonarnych i regulowanych clamps, gdy włączony jest tryb parkowania. Przesuń próbkę testową z jednej strony i oprzyj ją na gwintach zacisków.Następnie dokręć regulowane zaciski, a następnie stacjonarne zaciski. Aby ponownie zainstalować piekarnik, umieść go nad konfiguracją testową i ręcznie wprowadź temperaturę początkową. Odczekaj co najmniej trzy minuty po osiągnięciu żądanej temperatury.Teraz rozpocznij pomiary. Po zakończeniu pomiarów i powrocie temperatury pieca do temperatury otoczenia, należy wyjąć piec i próbkę, a następnie wyeksportować dane i przesunąć krzywe do temperatury odniesienia przy użyciu odpowiednich współczynników przesunięcia, aby uzyskać krzywą wzorcową w temperaturze odniesienia. Zacznij od utworzenia nowego modelu za pomocą kreatora modelu.Wybrać wymiar pomieszczenia 3D i dodać badanie mechaniki bryłowej. Następnie należy wybrać badanie w dziedzinie częstotliwości do analizy transmisji. W zakładce definicje globalne zdefiniuj odpowiednie parametry i przypisz do nich wartości.Korzystając z dostępnych narzędzi, utwórz geometrię modelu metamaterialnego. Teraz kliknij prawym przyciskiem myszy komponenty, aby uzyskać dostęp do zakładki definicje, a następnie wybierz sondy i wybierz sondę graniczną. Przypisz granicę modelu do tej sondy granicznej, w której ma zostać obliczone tłumienie transmisji.Aby zdefiniować idealnie dopasowaną warstwę lub PML, kliknij prawym przyciskiem myszy zakładkę definicje i przypisz właściwości PML do bloków geometrycznych otaczających geometrię metamateriału. Zastosuj okresowe warunki brzegowe na ścianach prostopadłych do kierunku okresowości i włącz funkcję ciągłości. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy zakładkę materiały i dodaj materiały z biblioteki, aby przypisać właściwości materiału do geometrii.Na karcie komponentu kliknij prawym przyciskiem myszy zakładkę liniowe materiały sprężyste i wybierz model materiału o lepkosprężystości. Wprowadź tensor dewiatoryczny uzyskany z obliczeń na podstawie wyników DMA. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy zakładkę zalecanego przemieszczenia i wybierz z okna graficznego część modelu, która ma być dynamicznie wzbudzona.Przypisz amplitudę przemieszczenia poza płaszczyzną w oczekiwanym położeniu elementu piezoelektrycznego. Następnie wygeneruj odpowiednią siatkę dla analizowanego modelu. Teraz wybierz odpowiednią funkcję przesunięcia z menu rozwijanego.Tę opcję należy wybrać opcję brak, jeśli wpływ temperatury jest już uwzględniony w wynikach DMA, które mają zostać użyte. Wybierz odpowiedni model lepkosprężysty i wprowadź wartości tensora dewiatorycznego na podstawie obliczeń. Z biblioteki badań wybierz opcję dodaj badanie, wybierz dziedzinę częstotliwości i wprowadź docelowy zakres częstotliwości.Następnie naciśnij przycisk obliczeń, aby obliczyć badanie. Teraz kliknij prawym przyciskiem myszy zakładkę wyników i wybierz funkcję grupy wykresów 1D. Kliknij prawym przyciskiem myszy utworzoną grupę działek 1D i wybierz z opcji opcję globalną.Na karcie Dane osi Y w oknie ustawień wprowadź wyrażenie matematyczne dla strat transmisji i wykreśl dane. Wyniki numeryczne obliczeń transmisyjnych wykazały spadek poziomu transmisji przekraczający 20 decybeli, co stanowi przerwę w paśmie częstotliwości zaobserwowaną w zakresie częstotliwości. Na początek wybierz odpowiednie źródło wzbudzenia na podstawie przewidywań numerycznych dla zakresu częstotliwości roboczej.Nałóż taśmę odblaskową na próbkę testową w zamierzonym punkcie akwizycji sygnału, aby poprawić wykrywanie sygnału laserowego. Dostosuj położenie i kąt lasera LDV, aby skierować go w stronę taśmy odblaskowej. Podłącz komputer do generatora sygnału, a następnie wzmacniacz podłączony do piezoelektrycznego, aby utworzyć obwód elektryczny.Po nawiązaniu prawidłowego połączenia rozpocznij test. Aby utworzyć dwa oddzielne projekty do generowania i akwizycji sygnału, wybierz odpowiedni sprzęt z okna dialogowego menedżera uruchamiania dla generatora i digitizera. Kliknij start, aby rozpocząć proces na karcie trybu wprowadzania i wybierz tryb nagrywania.Wstępnie wybierz standardowy tryb pojedynczy, umożliwiający regulację parametrów, takich jak rozmiar pamięci. Następnie ustaw żądaną częstotliwość próbkowania w zakładce zegara. Skonfiguruj tryb wyzwalania na karcie wyzwalacza.Aby zainicjować nagrywanie pojedynczego ujęcia, kliknij ruchomy przycisk zielonej strzałki w prawo. Po zakończeniu zakończ nagrywanie za pomocą przycisku stop. Skorzystaj z opcji łatwego generatora oprogramowania pomiarowego, aby wygenerować proste funkcje wzbudzenia, takie jak fale znakowe lub impulsy prostokątne.Alternatywnie przejdź do nowej zakładki. Wybierz obliczenia sygnału i wybierz opcję generatora funkcji. Określ długość sygnału i rozpocznij sygnał.Aby wykonać szybką transformację furiera na sygnale, wybierz obliczenia sygnału w obszarze kanały wejściowe i wybierz FFT. Wybierz odpowiednią funkcję okna do obliczeń FFT. Przed rozpoczęciem testu skieruj laser LDV na źródło wibracji.Wyślij sygnał i oblicz FFT, aby sprawdzić konfigurację w celu zapewnienia prawidłowego działania. W innym oknie oprogramowania pomiarowego obserwuj odebrany sygnał. Dopasuj wyniki FFT w obu oknach przed kontynuowaniem eksperymentu.Aby rozpocząć eksperyment, skieruj laser LDV na żądany punkt akwizycji na próbce metamateriału. Test transmisji pitch catch wykazał spadek sygnału w zakresie częstotliwości, co wskazuje na przerwę pasma częstotliwości.

characterizing-dissipative-elastic-metamaterials-produced-additive

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Metamateriały w częstotliwościach terahercowych oferują unikalne możliwości, jednak ich wytwarzanie w skali masowej jest trudne. Adaptujemy procedurę wytwarzania mikrostrukturalnych polimerowych światłowodów, aby tanio produkować metamateriały potencjalnie na skalę przemysłową. Wytwarzamy włókna z polimetakrylanu metylu zawierające druty indu o średnicy ~10 μm oddalone od siebie o ~100 μm, które wykazują terahercową odpowiedź plazmonową.

Wytwarzanie metamateriałów przy użyciu metody wyciągania włókien

Ten protokół opisuje symulację, wytwarzanie i charakterystykę absorberów metamateriałów THz. Takie absorbery, sprzężone z odpowiednim czujnikiem, mają zastosowanie w obrazowaniu i spektroskopii THz.

Symulacja, wytwarzanie i charakterystyka absorberów metamateriałowych THz

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Ten manuskrypt pokazuje proces produkcji miękkich siłowników z elastomeru dielektrycznego opartych na membranach silikonowych. Szczegółowo przedstawiono trzy kluczowe etapy produkcji: odlewanie łopatek z cienkich membran silikonowych; tampodruk elektrod zgodnych z wymaganiami; i montaż wszystkich komponentów.

Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

Pośrednia metoda wytwarzania przyrostowego, łącząca drukowanie 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym, jest opisana do produkcji metali kratownicowych 3D (stopy Al i Cu) o długości komórki elementarnej 5 mm i grubości ścianki 0,5 mm.

Pośrednie wytwarzanie metali kratowych o cienkich przekrojach przy użyciu odlewania odśrodkowego

Ten protokół opisuje strategię produkcji opartą na rozwiązaniach dla wysokowydajnych, elastycznych, przezroczystych elektrod z w pełni wbudowaną, grubą metalową siatką. Elastyczne przezroczyste elektrody wytwarzane w tym procesie wykazują jedne z najwyższych zgłoszonych parametrów, w tym bardzo niską rezystancję arkusza, wysoką przepuszczalność optyczną, stabilność mechaniczną przy zginaniu, silną przyczepność podłoża, gładkość powierzchni i stabilność środowiskową.

Skalowalna strategia produkcji oparta na roztworze dla wysokowydajnych, elastycznych i przezroczystych elektrod z wbudowaną metalową siatką

Ten protokół służy jako kompleksowa wytyczna do wytwarzania rusztowań za pomocą elektroprzędzenia z polimerami stopionymi w trybie bezpośredniego zapisu. Systematycznie nakreślamy proces i definiujemy odpowiednie ustawienia parametrów w celu osiągnięcia docelowych architektur rusztowań.

Zapis elektroprzędzenia ze stopu trójwymiarowych rusztowań poli(ε-kaprolaktonu) z kontrolowanymi morfologiami do zastosowań w inżynierii tkankowej

Metoda zwana negatywnym wytwarzaniem addytywnym jest używana do produkcji prawie w pełni gęstych, złożonych części z węglika boru o różnych skalach długości. Technika ta jest możliwa dzięki sformułowaniu nowej zawiesiny zawierającej rezorcynę i formaldehyd jako unikalny środek żelujący, który po pirolizie pozostawia jednorodny środek wspomagający spiekanie węgla.

Ujemna produkcja addytywna węglików boru o złożonym kształcie

Przedstawiono protokół wytwarzania i optycznej charakterystyki metapowierzchni dielektrycznych. Metoda ta może być stosowana nie tylko do wytwarzania rozdzielaczy wiązki, ale także ogólnych metapowierzchni dielektrycznych, takich jak soczewki, hologramy i peleryny optyczne.

Demonstracja generowania wiązki o jednakowej intensywności za pomocą metapowierzchni dielektrycznych

Przedstawiono metodę nałożenia topografii powierzchniowej pochłaniającej światło materiałów kompozytowych polimerowych, szczególnie magnetoaktywnych elastomerów (MAE), za pomocą mikroobróbki laserowej. Ta metoda umożliwia dużą elastyczność w projektowaniu topograficznym i szybkim prototypowaniu. Przedstawiono przykład strukturyzacji powierzchni MAE, charakteryzacji oraz ich reakcji na zewnętrzne pole magnetyczne.

Mikroobróbka laserowa do projektowania topografii powierzchni polimerów

Poznaj metody charakteryzacji właściwości lepkosprężystych polimerów wytwarzanych przyrostowo przy użyciu analizy ultradźwiękowej i modelowania numerycznego. Protokół ten umożliwia projektowanie metamateriałów do zastosowań akustycznych.

Charakterystyka rozpraszających elastycznych metamateriałów wytwarzanych w procesie wytwarzania przyrostowego

Przeglądaj więcej filmów