[논문 리뷰] 3D printable multimaterial cellular auxetics with tunable stiffness

Krishna Kumar Saxena, Raj Das외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 14.

Cellular and Composite StructuresEngineering참고 문헌 11인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 단위 세포 내에서 제어된 재료 분포를 통해 조절 가능한 강성을 가진 3D 프린팅이 가능한 다재료 세포 구조의 보조성 구조를 제시한다. 유한 요소 분석을 통해 저자들은 다재료 설계를 통해 강성 기울기를 도입함으로써 기계적 성질를 정밀하게 조절할 수 있음을 입증하며, 이는 맞춤형 충격 보호 장치에의 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Auxetic materials are a novel class of mechanical metamaterials which exhibit an interesting property of negative Poisson ratio by virtue of their architecture rather than composition. It has been well established that a wide range of negative Poisson ratio can be obtained by varying the geometry and architecture of the cellular materials. However, the limited range of stiffness values obtained from a given geometry restricts their applications. Research trials have revealed that multi-material cellular designs have the capability to generate range of stiffness values as per the requirement of application. With the advancements in 3D printing, multi-material cellular designs can be realized in practice. In this work, multi-material cellular designs are investigated using finite element method. It was observed that introduction of material gradient/distribution in the cell provides a means to tune cellular stiffness as per the specific requirement. These results will aid in the design of wearable auxetic impact protection devices which rely on stiffness gradients and variable auxeticity.

연구 동기 및 목표

• 3D 프린팅이 가능한 세포 구조의 보조성 구조로 조절 가능한 기계적 강성을 갖춘 것을 개발하기 위해.
• 기존의 보조성 재료의 제한된 강성 범위를 다재료 설계를 통해 극복하기 위해.
• 착용형 충격 보호 장치에서 응용에 맞는 기계적 성능을 가능하게 하기 위해.
• 유한 요소 모델링을 통해 재료 분포가 강성과 보조성 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 적층 제조 기술을 사용하여 이러한 구조를 제조하는 것이 가능함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 유한 요소 방법(FEM)을 사용하여 다재료 세포 구조의 보조성 단위 세포의 기계적 거동을 시뮬레이션한다.
• 고강성 및 저강성 재료의 체적 분율을 변화시켜 단위 세포 내에 강성 기울기를 도입한다.
• 재진입형 또는 유사 재진입형 세포 구조를 통해 음수 푸아송 비(보조성 거동)를 나타내도록 기하 구조를 설계한다.
• 시뮬레이션은 다양한 재료 분포 구성에서의 강성과 푸아송 비를 평가한다.
• 다재료 적층 제조를 사용하여 제조 가능성을 확보하기 위해 3D 프린팅 가능성을 최적화한다.
• 재료 분포와 기계적 출력 간의 상관관계를 규명하기 위해 파라미터 연구를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다재료 세포 구조의 보조성 구조는 단일 재료 대비 더 넓은 강성 값 범위를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고강성 및 저강성 재료의 공간적 분포가 세포 구조의 효과적 강성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 강성 조절을 하면서도 보조성 거동(음수 푸아송 비)을 어느 정도 유지할 수 있는가?
• RQ4 3D 프린팅은 제안된 다재료 세포 구조의 보조성 설계를 제어 가능한 기계적 기울기와 함께 실현할 수 있는가?
• RQ5 재료 기울기와 보조성 세포 구조의 기계적 성능 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 세포 단위 세포 내에 재료 기울기를 도입함으로써 광범위한 강성 값 범위에서 강성을 효과적으로 조절할 수 있다.
• 유한 요소 시뮬레이션은 고강성 및 저강성 재료의 분포를 조절함으로써 강성을 정밀하게 제어할 수 있음을 확인한다.
• 음수 푸아송 비로 특징지어지는 보조성 거동은 다양한 재료 분포 구성에서 유지된다.
• 제안된 설계는 3D 프린팅에 적합하여 복잡한 기능적 경도 기울기를 가진 세포 구조를 제조할 수 있다.
• 이 연구는 다재료 세포 보조성 구조가 단일 재료 대비 훨씬 뛰어난 기계적 조절 가능성을 제공한다는 것을 입증한다.
• 결과는 적용에 맞는 강성과 에너지 흡수 특성을 갖춘 착용형 충격 보호 장치 개발을 뒷받침한다.