Tsinghuas Black Technology erscheint auf dem Cover von Science: Eine Folie wird an einem runden Rohr befestigt, um es in Sekundenschnelle in eine komplexe 3D-Struktur zu verwandeln

In der industriellen Praxis ist die Montage von Teilen und elektronischen Geräten ein wichtiges Glied für den normalen Betrieb komplexer mechanischer Geräte. In der Vergangenheit waren die Substrate, auf denen diese Komponenten montiert wurden, überwiegend flach, und die wenigen auf gekrümmten Oberflächen montierten Teile waren meist auf einfache Strukturen beschränkt und schwer zu modifizieren.

Kann es bei komplexen dreidimensionalen Strukturteilen auf einem gekrümmten Untergrund installiert werden und gleichzeitig die Installation und Änderung vereinfachen? Kürzlich schlug das Team von Professor Zhang Yihui von der Tsinghua-Universität eine neue Montagestrategie zur Lösung dieses Problems vor und veröffentlichte die Ergebnisse in der neuesten Ausgabe von Science Advance. ?? Einfluss auf die Reibung Kraftmessung, optische Weitfeld-Bildgebung und Durchflussmessung sind unerlässlich. Jüngste Fortschritte in der mechanisch geführten Montage schaffen definierte dreidimensionale Strukturrouten in Hochleistungsmaterialien durch kontrollierte Roll-/Falt-/Biegeverformungen. Allerdings entstehen die resultierenden dreidimensionalen Strukturen meist auf ebenen Substraten und können nicht direkt auf ein anderes gekrümmtes Substrat übertragen werden.

Diese Studie stellt eine geordnete Montagestrategie vor, die 2D-Filme in komplexe 3D-Strukturen auf verschiedenen gekrümmten Oberflächen umwandeln kann. Diese Strategie nutzt eine vorgegebene mechanische Belastung, um das gekrümmte Elastomersubstrat in eine planare/zylindrische Struktur zu verformen, die dann durch zusätzliche einachsige/biaxiale Vorspannung angetrieben wird, um die schnallengeführte Baugruppe anzutreiben.

Durch mechanische Modellierung kann die vorgegebene Last präzise freigegeben und Teile mit komplexen dreidimensionalen Strukturen auf geordnete Weise auf der gekrümmten Oberfläche montiert werden. Im Beispiel in diesem Artikel sind Dutzende von Teilen mit solchen Strukturen vorhanden montiert auf einem gebogenen Sockel. Dazu gehören abstimmbare Dipolantennen, Durchflusssensoren in Wasserleitungen, integrierte elektronische Systeme, die konform in das Herz integriert werden können, und mehr.

Das Bild oben ist ein konzeptionelles Diagramm der geordneten Montagestrategie komplexer dreidimensionaler Strukturen auf gekrümmten Oberflächen.

(A) Verwenden Sie die Bildung einer dreidimensionalen dekorativen Maske des menschlichen Gesichts, um die geordnete Montagestrategie zu veranschaulichen. Die beiden Bilder auf der rechten Seite entsprechen Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und optischen Bildern der dreidimensionalen Struktur in einer Doppelschicht aus Silber (5 m) und PET (75 m).

(B) Das Bild oben ist das Ergebnis der Finite-Elemente-Analyse einer Spiralbasis und einer Spiralbasis, die durch Torsions- und Zugbelastungen abgeflacht werden kann. Das untere Feld zeigt den geordneten Montageprozess dreidimensionaler blattartiger Strukturen auf einem spiralförmigen Substrat zusammen mit Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und optischen Bildgebungsbildern.

(C) Konzeptdiagramm zum Aufbau einer dreidimensionalen Struktur auf der Innenfläche eines zylindrischen Rohrs Vor der Integration mit dem zweidimensionalen Vorläufer wird das Substrat schräg geschnitten, durch Biegeverformung abgeflacht und anschließend vorgestreckt . Das untere Feld zeigt den geordneten Montageprozess geschichteter dreidimensionaler helikaler Strukturen [Aluminium (2,5 m)/PET (30 m)] in einem zylindrischen Rohr, begleitet von Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und optischen Bildern.

(D) Darstellung des Montageprozesses dreidimensionaler Strukturen auf einem Substrat mit Möbius-Streifenform und einer endlichen Anzahl ameisenähnlicher Strukturen [Al (2,5 m)/PET (30 m)], darauf montiert das Substrat Metaanalytische Vorhersagen und optische Bilder.

Das Bild oben zeigt eine komplexe dreidimensionale Struktur, die auf einer gekrümmten Oberfläche montiert ist, die abgeflacht werden kann.

(A) ist ein schematisches Diagramm einer hufeisenförmig gebogenen Basis, die durch einachsiges Strecken abgeflacht werden kann. (B) Optisches Bild, das den Montageprozess dreidimensionaler Bandstrukturen auf einem hufeisenförmigen Substrat veranschaulicht. (C) Finite-Elemente-Analyse und empirische Ergebnisse des generativen Matrixprofils eines halbkugelförmigen Elastomersubstrats bei unterschiedlichem biaxialem Dehnen. R0 stellt den Radius der anfänglichen Halbkugel dar. (D) Finite-Elemente-Analyse-Vorhersage des maximalen Hauptdehnungsprofils einer halbkugelförmigen Matrix unter unterschiedlichen Graden biaxialer Streckung.

(E) ist ein Vergleich von geraden Bändern (Lribbon) unterschiedlicher Länge, die auf einem halbkugelförmigen Substrat montiert sind, wie durch Finite-Elemente-Analyse vorhergesagt. (F) 2D-Geometrien, FEA-Vorhersagen und experimentelle Bilder verschiedener 3D-Strukturen, die auf den konvexen und konkaven Oberflächen eines halbkugelförmigen Substrats montiert sind. G bis J: Inverses Design einer halbelliptischen Oberfläche, die auf einer halbkugelförmigen Basis montiert ist. (K bis N) Inverses Design kleiner Halbkugeln mit gleicher Höhe (hi), die an verschiedenen räumlichen Orten auf einer halbkugelförmigen Basis montiert sind. (O und P) Optische Bilder eines Netzwerks aus spiralförmigen Mikrostrukturen und winzigen dreidimensionalen rhomboedrischen bandartigen Mikrostrukturen, die auf der Oberfläche eines Gehirnoids angeordnet sind.

Das Bild oben zeigt die komplexe dreidimensionale Struktur auf dem zylindrischen/ quasizylindrische Oberfläche Zusammenbauen.

(A) Schematische Darstellung des als gekrümmte Basis verwendeten Aortenmodells und des Montageprozesses von helikalen und doppelhelikalen Strukturen auf dieser Basis durch Druckknicken.

(B) Der Prozess der Montage gerader Streifen unterschiedlicher Länge auf einer zylindrischen Basis durch Zugknicken.

(C) Zweidimensionale Geometrie, Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und experimentelle Bilder verschiedener dreidimensionaler Strukturen, die auf zylindrischen Substraten montiert sind.

(D) Experimentelle Bilder von 2D-Vorläufern, Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und von Kirigami inspirierten skalenähnlichen 3D-Strukturen, die durch Zugknicken gebildet werden.

(E) Vorhersagen der Finite-Elemente-Analyse und experimentelle Bilder demonstrieren den geordneten Montageprozess von Kirigami-inspirierten Skalenstrukturanordnungen auf archimedischen Spiralfasern.

(F bis H) Umgekehrtes Design des Zusammenbaus helikaler Strukturen mit gleicher Höhe und gleichem Abstand in verschiedenen räumlichen Bereichen auf der helikalen Faser.

Autorenteam

Der korrespondierende Autor von Dieser Artikel stammt von Dr. Zhang Yihui ist ständiger Professor am Fachbereich Technische Mechanik der Fakultät für Luft- und Raumfahrt der Tsinghua-Universität.

Erlangte 2011 einen Doktortitel an der Fakultät für Technische Mechanik der Fakultät für Luft- und Raumfahrt und Astronautik der Tsinghua-Universität. Von 2011 bis 2015 war er Postdoktorand und Forschungsassistent am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der Northwestern University. Im Jahr 2015 wechselte er in die Abteilung für technische Mechanik der Tsinghua-Universität und fungierte nacheinander als außerordentlicher Professor, ständiger außerordentlicher Professor und ständiger Professor.

Die Hauptforschungsbereiche sind mechanisch gesteuerte dreidimensionale Mikrostrukturmontage, unkonventionelle weiche Materialien, flexible und formbare elektronische Geräte, intelligente Materialien und Strukturmechanik Bisher verfügt er über 5 Erfindungspatente und 3 US-amerikanische Erfindungspatente, hat 1 wissenschaftliche Monographie und mehr als 150 SCI-Artikel veröffentlicht, darunter ist er korrespondierender Autor in „Science“, „Nature“, „Nature Materials“, „Nature Electronics“, „Nature Reviews“ Materials“, „Nature Communications“, „Science Advances“, „PNAS“, „JMPS“, „Advanced Materials“, „ACS Nano“ und andere Zeitschriften haben mehr als 80 hochrangige wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht.

Die beiden Co-Autoren Xue Zhaoguo und Jin Tianqi sind beide vom Labor für Angewandte Mechanik der Abteilung für Technische Mechanik der Tsinghua-Universität. Xue Zhaoguo ist hauptsächlich verantwortlich für Konzeptualisierung, Datenkuration, formale Analyse, Finanzierungseinwerbung, Untersuchung, Methodik, Projektmanagement, Ressourcen, Software, Validierung, Visualisierung, Schreiben, Überprüfung und Bearbeitung von Papieren. Jin Tianqi ist hauptsächlich verantwortlich für Konzeptualisierung, Datenmanagement, formale Analyse, Untersuchung, Methodik, Software, Visualisierung und Papierschreiben.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonTsinghuas Black Technology erscheint auf dem Cover von Science: Eine Folie wird an einem runden Rohr befestigt, um es in Sekundenschnelle in eine komplexe 3D-Struktur zu verwandeln. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!