Metodi per la simulazione numerica di strutture morfabili basate su knit: knitmorph

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6630 (2022) Citare questo articolo

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Il comportamento di morphing della forma ha applicazioni in molti campi come la robotica morbida, attuatori e sensori, celle solari, imballaggi stretti, elettronica flessibile e biomedicina. L'approccio più comune per ottenere strutture di morphing di forma è attraverso leghe a memoria di forma o idrogel. Questi due materiali subiscono deformazioni differenziali che generano una varietà di forme. In questo lavoro, dimostriamo il nuovo concetto secondo cui le maglie 2D composte da filati di materiali diversi possono essere trasformate in diverse forme tridimensionali formando così un ponte tra la maglieria tradizionale e le strutture che cambiano forma. Questo concetto è denominato Knitmorphs. La nostra analisi computazionale funge da prova di concetto rivelando che modelli lavorati a maglia di materiali diversi si trasformano in forme complesse, come una sella, una coppa assialsimmetrica e una piastra con onde quando sottoposti a carichi termici. I modelli circolari bidimensionali di pianura e nervatura sviluppati su pacchetti CAD vengono importati nel software di analisi degli elementi finiti Abaqus, seguiti dalla post-elaborazione in fili e dall'assegnazione delle proprietà del materiale in fibra di diversi coefficienti termici di espansione e rigidità. Proponiamo inoltre potenziali applicazioni per il concetto di maglie programmabili per lo sviluppo di robot basati sulla locomozione simile alle meduse e strutture complesse simili alle pale delle turbine eoliche. Questo nuovo concetto ha lo scopo di introdurre un nuovo campo per la progettazione quando si considerano le strutture morfabili.

La funzione di una struttura è legata alla sua forma. I vantaggi del morphing della forma implicano l'acquisizione di entrambe le caratteristiche da una forma non deformata alla struttura deformata. Il morphing della forma elimina i limiti di una forma fissa consentendo prestazioni personalizzabili basate sulla struttura su richiesta1. Questo comportamento è stato sfruttato per movimenti complessi, come la locomozione su microscala di robot morbidi, la cattura e il rilascio di carichi2, l'elettronica flessibile3 e in biomedicina per ottenere una maggiore produzione di insulina e vitalità cellulare4. In questo studio dimostriamo computazionalmente che i tessuti a maglia possono deformarsi in forme geometriche complesse sotto carichi termici. Ciò è reso possibile dalle proprietà anisotrope dei materiali del filato5 in modo che la disposizione spaziale strategica basata sui coefficienti di dilatazione termica consenta la progettazione di deformazioni complesse.

Precedenti studi sul morphing della forma hanno adottato l'approccio comprendente una struttura a doppio strato (Fig. 1a) sviluppata da idrogel o fogli polimerici5 che subiscono una risposta di rigonfiamento su larga scala con stimoli6 seguiti da studi che sfruttano l'introduzione della conformità interna per ottenere il morphing7,8,9, 10,11.

Terminologia del tessuto a maglia. (a) Morphing del doppio strato quando sottoposto a stimoli, (b) Ispirazione per il nostro lavoro. Ristampato con permesso. Copyright Staci, (c) Schema che mostra le direzioni della costa e del percorso dei tessuti a maglia, (d) Asse centrale del filato utilizzato in Abaqus, (e) La maglia liscia comprende solo punti a maglia (o punti a rovescio) su un lato, (f) Una maglia a coste consiste nell'alternare file di maglie a diritto e a rovescio.

La variazione di conformità interna si ottiene attraverso la transizione del materiale tra il doppio strato composito di polimero di legno e le alette stampate da uno strato di poliuretano termoplastico diretto12. Altri lavori fanno uso dell'architettura meccanica come giunti immobili e coppie rotanti per ottenere assemblaggi complessi dopo riscaldamento piegando attorno al giunto13. Il nostro lavoro raggiunge l'obiettivo finale della variazione spaziale della conformità attraverso la variazione nell'architettura del filato; vale a dire i cambiamenti nel diametro e nella geometria del filato che sono analoghi alle variazioni interne alla forma del disco mostrate negli studi precedenti. Inoltre, i modelli di maglia simulati in questo studio raggiungono forme geometriche come una pala di turbina che sono relativamente più complesse dei semplici dischi o delle forme planari limitate a materiale morbido, sottile, simile a un foglio che si deforma facilmente5,14.