Caracterização de metamateriais elásticos dissipativos produzidos por manufatura aditiva

Minha pesquisa visa caracterizar as propriedades viscoelásticas de polímeros fabricados ativamente e examinar o impacto na dinâmica dos metamateriais elásticos. Procuro entender como essas propriedades podem inferir o atrito da onda em frequências operacionais, o que pode incluir caracterização precisa e possíveis modificações. A caracterização de polímeros requer experiência em ciência de materiais, radiologia, configurações especializadas e treinamento, que muitas vezes faltam para pesquisadores em metamateriais.

Da mesma forma, a análise ultrassônica de atenuação de ondas e metamateriais envolve técnicas desconhecidas para engenheiros químicos. Consequentemente, a fusão desses dois campos apresenta desafios experimentais significativos. A viscoelasticidade em polímeros é um fenômeno complexo e há dados limitados para módulos de armazenamento e perda em frequências ultrassônicas, particularmente para polímeros fabricados aditivamente.

O objetivo é conectar as propriedades do material com a dinâmica orientada pela estrutura dos metamateriais, permitindo assim um design robusto e confiável para frequências de trabalho direcionadas. Nosso protocolo combina testes de fabricação, químicos, ultrassônicos e químicos com análise numérica para aprimorar nossa compreensão de como nossas propriedades acadêmicas afetam a dinâmica dos metamateriais poliméricos. Esse conhecimento melhorará o design de metamateriais para aplicações em clock acústico, orientação de ondas, coleta de energia e outros campos que exigem controle eficaz de ondas.

Nossas atividades futuras se concentrarão em analisar como diferentes parâmetros de impressão 3D afetam as propriedades viscoelásticas das peças finais. Além disso, explorando mecanismos para modificar essas propriedades para influenciar o comportamento dinâmico de metamateriais poliméricos. Nosso objetivo é criar modelos mais precisos e eficientes para simular o comportamento viscoelástico em geometrias complexas para aplicações acústicas e ultrassônicas.

Para começar, fabrique amostras de teste cuboidais com base nas dimensões fornecidas na tabela mostrada aqui. Defina a faixa de temperatura de teste, evitando e ficando bem abaixo dos materiais, temperatura de fusão. Selecione uma taxa de aquecimento entre um e três graus Celsius por minuto.

Para obter os melhores resultados, opte pelo valor de deformação mais baixo. Configure os parâmetros para a varredura de frequência e a taxa de aquecimento. Para calibração, use a configuração de teste de cantilever único.

Inicie o processo de calibração para garantir a precisão. Para clamping a amostra, solte os parafusos dos grampos estacionários e ajustáveis quando o modo de estacionamento estiver ativado. Deslize a amostra de teste por um lado e apoie-a nas roscas dos grampos.

Em seguida, aperte os grampos ajustáveis seguidos pelos grampos estacionários. Para reinstalar o forno, coloque-o sobre a configuração de teste e insira a temperatura inicial manualmente. Aguarde pelo menos três minutos após atingir a temperatura desejada.

Agora comece as medições. Assim que as medições forem concluídas e a temperatura do forno retornar ao ambiente, remova o forno e a amostra, exporte os dados e mude as curvas para uma temperatura de referência usando fatores de deslocamento apropriados para obter uma curva mestre na temperatura de referência. Comece usando o assistente de modelo para criar um novo modelo.

Selecione a cota do espaço 3D e adicione o estudo de mecânica sólida. Em seguida, escolha o estudo no domínio da frequência para análise de transmissão. Na guia de definições globais, defina os parâmetros relevantes e atribua valores a eles.

Usando as ferramentas disponíveis, crie a geometria de um modelo de metamaterial. Agora clique com o botão direito do mouse nos componentes para acessar a guia de definições, selecione sondas e escolha sonda de limite. Atribua um limite no modelo a essa sonda de limite onde a perda de transmissão deve ser calculada.

Para definir uma camada ou PML perfeitamente combinada, clique com o botão direito do mouse na guia de definições e atribua propriedades PML a blocos geométricos ao redor da geometria do metamaterial. Aplique condições de limite periódicas em faces perpendiculares à direção da periodicidade e ative o recurso de continuidade. Em seguida, clique com o botão direito do mouse na guia de materiais e adicione materiais da biblioteca para atribuir propriedades de material à geometria.

Na guia componente, clique com o botão direito do mouse na guia materiais elásticos lineares e selecione o modelo de material de viscoelasticidade. Insira o tensor desviatório obtido a partir do cálculo, com base nos resultados do DMA. Em seguida, clique com o botão direito do mouse na guia de deslocamento prescrito e selecione uma parte do modelo a ser dinamicamente excitada na janela de desenho.

Atribua a amplitude do deslocamento fora do plano na posição esperada de um elemento piezoelétrico. Em seguida, gere uma malha adequada para o modelo analisado. Agora escolha uma função shift apropriada no menu suspenso.

Selecione nenhum se os efeitos da temperatura já forem considerados nos resultados do DMA a serem usados. Selecione um modelo viscoelástico apropriado e insira os valores para o tensor desviatório com base nos cálculos. Na biblioteca de estudos, selecione a opção adicionar estudo, selecione o domínio da frequência e insira o intervalo de frequência alvo.

Em seguida, pressione o botão de computação para calcular o estudo. Agora, clique com o botão direito do mouse na guia de resultados e selecione a função de grupo de plotagem 1D. Clique com o botão direito do mouse no grupo de plotagem 1D criado e escolha global nas opções.

Na guia Dados do eixo Y da janela de configurações, insira a expressão matemática para perda de transmissão e plote os dados. Os resultados numéricos para os cálculos de transmissão mostraram uma queda no nível de transmissão superior a 20 decibéis, representando um intervalo de banda de frequência observado dentro da faixa de frequência. Para começar, escolha uma fonte de excitação adequada com base em previsões numéricas para uma faixa de frequência operacional.

Aplique fita reflexiva na amostra de teste no ponto de aquisição de sinal pretendido para melhorar a detecção do sinal a laser. Ajuste a posição e o ângulo do laser LDV para direcioná-lo em direção à fita reflexiva. Conecte um computador a um gerador de sinal, seguido por um amplificador conectado a um piezo para criar um circuito elétrico.

Depois que uma conexão adequada for estabelecida, comece o teste. Para criar dois projetos separados para geração e aquisição de sinal, selecione o hardware adequado na caixa de diálogo do gerenciador de inicialização para um gerador e um digitalizador. Clique em iniciar para iniciar o processo na guia do modo de entrada e escolha um modo de gravação.

Pré-selecione o modo único padrão, permitindo o ajuste de parâmetros, como tamanho do mem. Em seguida, defina a taxa de amostragem desejada na guia do relógio. Configure o modo de acionamento na guia de acionamento.

Para iniciar uma gravação de uma única foto, clique no botão de seta verde que se move para a direita. Uma vez feito isso, encerre a gravação usando o botão Parar. Use a opção de gerador fácil do software de medição para gerar funções de excitação simples, como ondas de sinal ou pulsos retangulares.

Como alternativa, navegue até a nova guia. Escolha os cálculos de sinal e escolha a opção de gerador de funções. Defina o comprimento do sinal e inicie o sinal.

Para executar uma transformação furier rápida no sinal, selecione cálculos de sinal em canais de entrada e escolha FFT. Escolha uma função de janela apropriada para o cálculo FFT. Antes de iniciar o teste, aponte o laser LDV para a fonte de vibração.

Envie um sinal e calcule a FFT para inspecionar a configuração e garantir a operação adequada. Em outra janela do software de medição, observe o sinal recebido. Corresponda aos resultados da FFT em ambas as janelas antes de prosseguir com o experimento.

Para iniciar o experimento, aponte o laser LDV para o ponto de aquisição desejado na amostra de metamaterial. O teste de transmissão pitch catch revelou uma queda de sinal dentro da faixa de frequência, indicando o intervalo da banda de frequência.