Une équipe de chercheurs a développé une toute nouvelle classe de métamatériaux capables de réagir presque instantanément et de rigidifier les structures imprimées en 3D lorsqu'elles sont exposées à un champ magnétique, un développement qui pourrait être appliqué aux casques de nouvelle génération, armure portable et une foule d'autres innovations.

Les « métamatériaux mécaniques sensibles au champ » (FRMM) emploient un matériau visqueux, fluide magnétiquement sensible qui est injecté manuellement dans les entretoises creuses et les poutres des réseaux imprimés en 3D. Contrairement à d'autres matériaux de morphing ou dits « imprimés en 4D » (la quatrième dimension étant le temps), la structure globale des FRMM ne change pas. Les particules ferromagnétiques du fluide situées au cœur des faisceaux forment des chaînes en réponse au champ magnétique qui rigidifie le fluide et la structure en treillis en conséquence. Cette réponse se produit rapidement, en moins d'une seconde. Le journal Avancées scientifiques a publié la recherche en ligne aujourd'hui.

"Dans cet article, nous voulions vraiment nous concentrer sur le nouveau concept de métamatériaux aux propriétés accordables, et même si c'est un peu plus un processus de fabrication manuel, il met encore en évidence ce qui peut être fait, et c'est ce que je trouve vraiment excitant, " a déclaré l'auteur principal Julie (Jackson) Mancini, ingénieur au Lawrence Livermore National Laboratory, qui travaille sur le projet depuis 2014.

« Il a été démontré qu'à travers la structure, les métamatériaux peuvent créer des propriétés mécaniques qui parfois n'existent pas dans la nature ou peuvent être hautement conçues, mais une fois que vous avez construit la structure, vous êtes coincé avec ces propriétés, " a déclaré Mancini. "Une prochaine évolution de ces métamatériaux est quelque chose qui peut adapter ses propriétés mécaniques en réponse à un stimulus externe. Ceux-là existent, mais ils réagissent en changeant de forme ou de couleur et le temps qu'il faut pour obtenir une réponse peut être de l'ordre de quelques minutes ou heures. Avec nos FRMM, la forme globale ne change pas et la réponse est très rapide, ce qui le distingue de ces autres matériaux."

Mancini a commencé le travail à l'Université de Californie Davis sous la direction de son maître, professeur de matériaux et d'ingénierie Ken Loh, qui est maintenant à l'Université de Californie à San Diego. Loh a déclaré que le concept était en partie inspiré des systèmes de suspension automobiles et a commencé par chercher des moyens de développer une armure flexible capable de se transformer ou de modifier ses propriétés mécaniques selon les besoins.

"L'un des critères est d'obtenir une réponse rapide, et les champs magnétiques et les matériaux MR offrent cette capacité, " dit Loh, professeur au Département d'ingénierie structurelle de la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego.

Loh a déclaré que les chercheurs chercheront de nouvelles façons de développer un matériau monophasé, au lieu d'avoir un liquide noyé dans un solide, et des rapports poids/performances plus élevés, ajoutant que les travaux futurs "pourraient conduire à de nouvelles technologies, comme une armure flexible pour le combattant qui se raidit instantanément lorsqu'une menace est détectée."

Les chercheurs ont injecté un fluide magnétorhéologique (MR) dans des structures en treillis creux construites sur la plate-forme de microstéréolithographie par projection à grande surface (LAPµSL) du LLNL, qui imprime en 3D des objets avec des caractéristiques microscopiques sur de larges zones à l'aide de la lumière et d'une résine polymère photosensible. La nouvelle forme de métamatériau accordable dynamiquement doit une grande partie de son succès à la machine LAPµSL, Mancini a dit, parce que les structures tubulaires complexes en treillis devaient être fabriquées avec des parois minces par rapport à la taille globale de la structure, et capable de maintenir le fluide contenu tout en résistant à la pression générée pendant le processus de remplissage et à la réponse à un champ magnétique.

Une fois que le fluide magnétiquement sensible est à l'intérieur des structures en treillis, l'application d'un champ magnétique externe provoque la rigidification du fluide et les structures imprimées en 3D globales se rigidifient ensuite presque instantanément. Le changement est facilement réversible et hautement réglable en faisant varier la force du champ magnétique appliqué, les chercheurs ont dit.

"Ce qui est vraiment important, c'est qu'il ne s'agit pas seulement d'une réponse intermittente, en ajustant l'intensité du champ magnétique appliqué, nous pouvons obtenir un large éventail de propriétés mécaniques, " Mancini a dit. " L'idée de la volée, le réglage à distance ouvre la porte à de nombreuses applications."

Mancini a déclaré que la technologie pourrait être utile pour l'absorption des chocs, par exemple, les sièges automobiles pourraient avoir des métamatériaux sensibles aux fluides intégrés à l'intérieur ainsi que des capteurs pour détecter un accident, et les sièges se raidiraient à l'impact, potentiellement réduire le mouvement des passagers qui peut causer un coup du lapin. Il pourrait également être appliqué aux casques ou aux minerves de nouvelle génération, boîtier pour composants optiques et robotique douce, parmi de nombreuses autres applications.

Pour prédire comment des structures de réseau arbitraires remplies de fluide MR réagiraient à un champ magnétique appliqué, L'ancien chercheur du LLNL Mark Messner (maintenant ingénieur au Laboratoire national d'Argonne) a développé un modèle à partir d'essais sur une seule jambe de force.

En partant d'un modèle qu'il a développé au LLNL prédisant les propriétés mécaniques des matériaux statiques à structure en treillis non accordables, Messner a ajouté une représentation de la façon dont le fluide MR affecte un seul élément de réseau sous un champ magnétique et a incorporé le modèle d'une seule entretoise dans une conception de cellules unitaires et de réseaux. De là, il a pu calibrer le modèle aux expériences que Mancini a réalisées sur des tubes remplis de fluide similaires aux entretoises des réseaux. L'équipe a utilisé le modèle pour optimiser la topologie du réseau, trouver les structures qui entraîneraient de grands changements dans les propriétés mécaniques lorsque le champ magnétique était varié.

« Nous avons examiné la rigidité élastique, mais le modèle (ou des modèles similaires) peut être utilisé pour optimiser différentes structures de réseau pour différents types d'objectifs, " Messner a déclaré. " L'espace de conception des structures en treillis possibles est énorme, ainsi le modèle et le processus d'optimisation nous ont aidés à choisir des structures probables avec des propriétés favorables avant (Mancini) imprimées, rempli, et testé les spécimens réels, ce qui est un long processus."

Mancini a déclaré qu'elle et son équipe continueraient à travailler sur l'impression de structures avec le fluide réactif au champ magnétique intégré pour éliminer l'étape de remplissage manuel, et sur l'augmentation de la taille globale des structures.