Simplifier le processus de construction pour les matériaux complexes

Les scientifiques peuvent rapidement concevoir de nombreuses structures métamatérielles cellulaires possédant des propriétés mécaniques uniques.

Les métamatériaux sont des structures présentant un intérêt de longue date, car ils induisent des propriétés matérielles différentes de celles de leur(s) matériau(x) de base constitutif. Les métamatériaux présentent souvent des comportements introuvables dans la nature, tels que des comportements conformes, chiraux, auxétiques et non réciproques.

Le comportement d'un métamatériau donné est principalement régi par son architecture cellulaire, qui est la disposition spatiale régulière ou aléatoire de régions solides et de vides utilisés pour remplir un volume désigné. Mais il est difficile de savoir quelle structure cellulaire conduira aux propriétés souhaitées. Par conséquent, les ingénieurs ne peuvent explorer manuellement qu’une petite fraction de tous les métamatériaux cellulaires hypothétiquement possibles.

Une méthode informatique créée par des chercheurs du MIT et de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche permet aux utilisateurs de concevoir rapidement plus facilement une cellule de métamatériau à partir de l'un de ces composants de construction plus petits, puis d'évaluer les propriétés du métamatériau fini.

Leur méthode, similaire à un système de conception assistée par ordinateur (CAO) spécialisé pour les métamatériaux, permet à un ingénieur de modéliser rapidement même des métamatériaux très complexes et d'expérimenter des conceptions dont la construction aurait autrement pris des jours. Puisque tous les éléments de construction nécessaires sont à la disposition de l’utilisateur, celui-ci peut également explorer tout l’espace des formes métamatérielles potentielles grâce à l’interface conviviale.

Liane Makatura, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique du MIT, a déclaré : « Nous avons trouvé une représentation qui peut couvrir toutes les différentes formes pour lesquelles les ingénieurs ont traditionnellement manifesté leur intérêt. Comme vous pouvez les construire toutes de la même manière, vous pouvez basculer davantage entre elles. avec fluidité. »

Lors du développement de métamatériaux cellulaires, les scientifiques commencent généralement par choisir une représentation décrivant les conceptions potentielles. Ce choix détermine l'ensemble des formes qui seront disponibles pour l'exploration.

Cependant, cela les empêche d’explorer des métamatériaux basés sur d’autres éléments, comme des plaques minces ou des structures 3D comme des sphères. Ces formes sont fournies via diverses représentations, mais il n’existe pas encore d’approche unique pouvant être utilisée pour décrire toutes les formes.

Makatura a déclaré : « En choisissant un sous-espace spécifique à l'avance, vous limitez votre exploration et introduisez un biais basé sur votre intuition. Bien que cela puisse être utile, l’intuition peut être incorrecte et certaines autres formes méritent peut-être également d’être explorées pour votre application particulière.

Les scientifiques ont pris du recul et ont observé attentivement différents métamatériaux. Ils ont vu que les formes de dimension inférieure pouvaient décrire les formes qui composent la structure globale ; par exemple, une poutre pourrait être réduite à une ligne ou une fine coque à une surface plane.

Ils ont également observé que les métamatériaux cellulaires contiennent fréquemment des symétries, nécessitant la représentation d'une petite partie seulement de la structure entière. Le reste peut être assemblé en faisant pivoter et en reflétant le premier composant.

En combinant ces deux observations, les scientifiques ont eu l’idée que les métamatériaux cellulaires pourraient être bien représentés sous forme de structure graphique.

Les utilisateurs construisent un squelette métamatériau à l'aide de leur représentation graphique à l'aide de blocs de construction de sommets et d'arêtes. Par exemple, on place un sommet à chaque extrémité de la poutre et on les relie avec une ligne pour construire une structure de poutre.

L'épaisseur de la poutre est ensuite spécifiée à l'aide d'une fonction sur cette ligne, que l'utilisateur peut ajuster de telle sorte que différentes parties de la poutre aient des épaisseurs différentes.

Des étapes similaires s’appliquent lorsqu’il s’agit de surfaces ; Tout d'abord, l'utilisateur marque les sommets des entités les plus cruciales avant de sélectionner une solution qui déduit le reste de la surface.

Les utilisateurs peuvent également créer rapidement une surface minimale triplement périodique (TPMS), un type de métamatériau très complexe, à l'aide de ces solveurs simples à utiliser. Ces structures sont extraordinairement solides, mais leur développement typique pourrait être plus complexe et sujet aux erreurs.