Neue Methode vereinfacht den Konstruktionsprozess für komplexe Materialien

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Ingenieure sind ständig auf der Suche nach Materialien mit neuartigen, wünschenswerten Eigenschaftskombinationen. Beispielsweise könnte ein ultrastarkes, leichtes Material verwendet werden, um Flugzeuge und Autos treibstoffeffizienter zu machen, oder ein poröses und biomechanisch freundliches Material könnte für Knochenimplantate nützlich sein.

Zelluläre Metamaterialien – künstliche Strukturen, die aus Einheiten oder Zellen bestehen, die sich in verschiedenen Mustern wiederholen – können dabei helfen, diese Ziele zu erreichen. Es ist jedoch schwierig zu wissen, welche Zellstruktur zu den gewünschten Eigenschaften führt. Selbst wenn man sich auf Strukturen konzentriert, die aus kleineren Bausteinen wie miteinander verbundenen Balken oder dünnen Platten bestehen, gibt es unendlich viele mögliche Anordnungen, die in Betracht gezogen werden können. Daher können Ingenieure nur einen kleinen Teil aller hypothetisch möglichen zellulären Metamaterialien manuell untersuchen.

Forscher des MIT und des Institute of Science and Technology Austria haben eine Rechentechnik entwickelt, die es einem Benutzer erleichtert, schnell eine Metamaterialzelle aus einem dieser kleineren Bausteine ​​zu entwerfen und dann die Eigenschaften des resultierenden Metamaterials zu bewerten.

Ihr Ansatz ähnelt einem speziellen CAD-System (Computer Aided Design) für Metamaterialien und ermöglicht es einem Ingenieur, selbst sehr komplexe Metamaterialien schnell zu modellieren und mit Designs zu experimentieren, deren Entwicklung sonst möglicherweise Tage gedauert hätte. Die benutzerfreundliche Oberfläche ermöglicht es dem Benutzer außerdem, den gesamten Raum potenzieller Metamaterialformen zu erkunden, da ihm alle Bausteine ​​zur Verfügung stehen.

„Wir haben eine Darstellung entwickelt, die alle verschiedenen Formen abdecken kann, an denen Ingenieure traditionell Interesse gezeigt haben. Da man sie alle auf die gleiche Weise bauen kann, bedeutet das, dass man flüssiger zwischen ihnen wechseln kann“, sagt MIT-Elektrotechnik und Informatik Doktorandin Liane Makatura, Co-Hauptautorin einer Arbeit über diese Technik.

Makatura schrieb das Papier zusammen mit dem Co-Hauptautor Bohan Wang, einem MIT-Postdoc; Yi-Lu Chen, Doktorandin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA); Bolei Deng, ein MIT-Postdoc; Chris Wojtan und Bernd Bickel, Professoren am ISTA; und der leitende Autor Wojciech Matusik, Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT, der die Computational Design and Fabrication Group im MIT-Labor für Informatik und künstliche Intelligenz leitet. Die Forschung wird bei SIGGRAPH vorgestellt.

Eine einheitliche Methode

Wenn ein Wissenschaftler ein zelluläres Metamaterial entwickelt, beginnt er in der Regel mit der Auswahl einer Darstellung, die zur Beschreibung seiner möglichen Entwürfe verwendet wird. Diese Auswahl bestimmt die Menge der Formen, die zur Erkundung verfügbar sind.

Beispielsweise könnte sie eine Technik wählen, die Metamaterialien mithilfe vieler miteinander verbundener Strahlen darstellt. Dies hindert sie jedoch daran, Metamaterialien zu erforschen, die auf anderen Elementen basieren, etwa dünnen Platten oder 3D-Strukturen wie Kugeln. Diese Formen werden durch unterschiedliche Darstellungen angegeben, aber bisher gab es keine einheitliche Möglichkeit, alle Formen mit einer Methode zu beschreiben.

„Indem Sie im Voraus einen bestimmten Unterraum auswählen, schränken Sie Ihre Erkundung ein und führen eine Tendenz ein, die auf Ihrer Intuition basiert. Dies kann zwar nützlich sein, die Intuition kann jedoch falsch sein, und einige der anderen Formen könnten für Ihre spezielle Anwendung auch eine Erkundung wert gewesen sein“, sagt Makatura.

Sie und ihre Mitarbeiter traten einen Schritt zurück und untersuchten verschiedene Metamaterialien genau. Sie erkannten, dass die Formen, aus denen die Gesamtstruktur besteht, leicht durch niederdimensionale Formen dargestellt werden können – ein Balken könnte auf eine Linie reduziert werden oder eine dünne Schale könnte auf eine flache Oberfläche komprimiert werden.

Sie stellten außerdem fest, dass zelluläre Metamaterialien häufig Symmetrien aufweisen, sodass nur ein kleiner Teil der Struktur dargestellt werden muss. Der Rest kann durch Drehen und Spiegeln des ursprünglichen Teils erstellt werden.

„Durch die Kombination dieser beiden Beobachtungen kamen wir zu der Idee, dass zelluläre Metamaterialien gut als Graphenstruktur dargestellt werden könnten“, sagt sie.

Mit ihrer graphbasierten Darstellung erstellt ein Benutzer ein Metamaterialskelett aus Bausteinen, die durch Scheitelpunkte und Kanten erstellt werden. Um beispielsweise eine Balkenstruktur zu erstellen, platziert man an jedem Endpunkt des Balkens einen Scheitelpunkt und verbindet diese mit einer Linie.

Dann verwendet der Benutzer eine Funktion über dieser Linie, um die Dicke des Balkens anzugeben, die variiert werden kann, sodass ein Teil des Balkens dicker ist als ein anderer.

Der Prozess für Oberflächen ist ähnlich: Der Benutzer markiert die wichtigsten Merkmale mit Eckpunkten und wählt dann einen Löser aus, der auf den Rest der Oberfläche schließt.

Diese benutzerfreundlichen Solver ermöglichen es Benutzern sogar, schnell einen hochkomplexen Metamaterialtyp zu konstruieren, der als dreifach periodische Minimaloberfläche (TPMS) bezeichnet wird. Diese Strukturen sind unglaublich mächtig, aber der übliche Prozess zu ihrer Entwicklung ist mühsam und fehleranfällig.

„Mit unserer Darstellung können Sie auch mit der Kombination dieser Formen beginnen. Vielleicht könnte Ihnen eine Elementarzelle, die sowohl eine TPMS-Struktur als auch eine Balkenstruktur enthält, interessante Eigenschaften verleihen. Aber bisher wurden diese Kombinationen noch nicht wirklich erforscht“, sagt sie.

Am Ende des Prozesses gibt das System den gesamten graphbasierten Vorgang aus und zeigt alle Operationen an, die der Benutzer durchgeführt hat, um die endgültige Struktur zu erreichen – alle Scheitelpunkte, Kanten, Löser, Transformationen und Verdickungsoperationen.

Über die Benutzeroberfläche können Designer zu jedem Zeitpunkt des Bauvorgangs eine Vorschau der aktuellen Struktur anzeigen und bestimmte Eigenschaften, wie z. B. ihre Steifigkeit, direkt vorhersagen. Anschließend kann der Benutzer einige Parameter iterativ anpassen und erneut bewerten, bis ein geeignetes Design vorliegt.

Ein benutzerfreundliches Framework

Die Forscher nutzten ihr System, um Strukturen nachzubilden, die viele einzigartige Klassen von Metamaterialien umfassten. Nachdem sie die Skelette entworfen hatten, dauerte die Erstellung jeder Metamaterialstruktur nur Sekunden.

Sie erstellten auch automatisierte Erkundungsalgorithmen, indem sie jedem eine Reihe von Regeln vorgaben und diese dann in ihrem System freisetzten. In einem Test lieferte ein Algorithmus in etwa einer Stunde mehr als 1.000 potenzielle fachwerkbasierte Strukturen.

Darüber hinaus führten die Forscher eine Benutzerstudie mit zehn Personen durch, die kaum Erfahrung mit der Modellierung von Metamaterialien hatten. Die Benutzer waren in der Lage, alle sechs ihnen vorgegebenen Strukturen erfolgreich zu modellieren, und die meisten waren sich einig, dass die Darstellung des prozeduralen Graphen den Prozess vereinfachte.

„Unsere Vertretung macht alle Arten von Strukturen für Menschen zugänglicher. Wir waren besonders zufrieden mit der Fähigkeit der Benutzer, TPMS zu generieren. Diese komplexen Strukturen sind selbst für Experten meist schwierig zu generieren. Dennoch hatte ein TPMS in unserer Studie die niedrigste durchschnittliche Modellierungszeit von allen sechs Strukturen, was überraschend und aufregend war“, sagt sie.

Zukünftig wollen die Forscher ihre Technik durch die Integration komplexerer Verfahren zur Skelettverdickung verbessern, damit das System eine größere Vielfalt an Formen modellieren kann. Sie wollen auch weiterhin den Einsatz automatischer Generierungsalgorithmen erforschen.

Und langfristig möchten sie dieses System gerne für das inverse Design nutzen, bei dem man gewünschte Materialeigenschaften vorgibt und dann mithilfe eines Algorithmus die optimale Metamaterialstruktur findet.

Diese Forschung wird teilweise durch ein Graduate Research Fellowship der National Science Foundation, das MIT Morningside Academy Design Fellowship, die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), einen ERC Consolidator Grant und das NewSat-Projekt finanziert.

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