Response mécanique des échafaudages en nano-treillis polymères – MechNanoTruss

1.Design and Fabrication. The project will start with existing lattice geometries and apply shape optimization procedures in order to obtain effective geometries for particular applications combining models from ETH and EP. The lattices will be manufactured using two-photon polymerization on a Nanoscribe Photonic Professional instrument available at ETH.

2.Characterization of the mechanical properties. The project has access to a wide range of experimental facilities. Quasi-static tension-compression tests and setup for indentation test on the lattice scaffolds are already available at the ETH. The group has equally developed a Dynamic compression experimental technique to study the dynamic behavior of complex soft materials, based on high-speed microscopic imaging and direct measurements of dynamic forces and deformations. Micro- and nanoscale experimental facilities SEM, AFM, TEM, X-Ray Tomography, FIB, etc. involving also in-situ testing of microstructures both at EP and at different partner institutions of the future Paris-Saclay University.

3.Numerical Modeling. Both research groups involved in this project have solved several problems in computational mechanics. The ETH group has experience in nonlinear acoustics and will focus the numerical modeling of the nanolattice as a phononic crystal [31].
The EP group will focus on the cyclic loading of the lattice and on the lifetime predictions for applications of the nanoscaffolds. The computational design method will be based on an initial shakedown analysis of the structure and a subsequent lifetime prediction using fatigue criteria

En résumé, nous avons fabriqué et analysé la viscoélastique linéaire
Propriétés des matériaux de microlattice polymères. Cette analyse est une
étape importante par rapport aux travaux antérieurs qui abordaient principalement le comportement quasi statique, c'est-à-dire élastique ou élasto-plastique, propriétés des microlatêtes. Nous avons développé une procédure expérimentale polyvalente pour étudier la relaxation des contraintes des microlattes, pour les échelles de temps jusqu'à 400 s. Notre étude expérimentale a révélé que le module efficace du réseau polymère peut être ajustées en adaptant différentes topologies en treillis de densités variés. Nous avons constaté que, dans la gamme de densité considérée, le facteur de perte est proportionnel avec densité du réseau. Pour des déformations plus grandes, le facteur de perte ainsi que l'amortissement peuvent augmenter dans un rapport allant usqu'à 3.1. Les résultats montrent que le facteur de perte des matériaux de microlattice est principalement augmenté par de grandes déformations. Dans les vibrations, autrement dit les applications d'absorption, les déformations atteintes peuvent être assez petites.

Dans ces cas, l'utilisation d'un matériau de base ou composite plus dissipatif est bénéfique pour augmenter l'amortissement. Les simulations numériques
Montrent que les réseaux de densité efficaces élevés dépassent le polymère massif en ce qui concerne la dissipation d'énergie. Ce résultat est contre-intuitif, car il prédit une dissipation accrue en utilisant efficacement moins de matière.

Pour augmenter la gamme des fréquences couvertes, des expériences variant
des températures pourraient être effectuées, en exploitant le principe d'équivalence température / temps ( fréquence) en viscoélasticité des polymères.

Les recherches actuelles visent deux objectifs, d'une part la mise au point d'un e méthode efficace d'optimisation de forme fondée sur les level-set et l'optimisation topologique et d'autre part une connaissance plus précises des matériaux polymères par des essais DMA.

Bauhofer, A., Krödel, S., Bilal, O., Daraio, C., & Constantinescu, A. (2017). Direct Laser Writing of Single-Material Sheets with Programmable Self-Rolling Capability. Bulletin of the American Physical Society, 62.

Krödel, S., Li, L., Constantinescu, A., & Daraio, C. (2017). Stress relaxation in polymeric microlattice materials. Materials & Design.

La lithographie 3D (polymérisation à deux-photons) permet la fabrication de matériaux polymères avec une microstructure architecturée. A partir de motifs 3D élémentaires composés de nano-treillis, de la taille de 100 nanomètres, on peut construire des échafaudages complexes, de la taille des centimètres, en répétant périodiquement le motif élémentaire. La taille finale macroscopique du matériau ouvre la voie à des diverses applications, des échafaudages biocompatibles aux couches ultralégères absorbantes de vibrations. En conséquence, des méthodes de conception robustes et de fiabilité sont nécessaires pour l'évaluation ces structures. Le projet vise à comprendre la mécanique des échafaudages polymériques biocompatibles formés de nano-treillis et de développer une méthode de conception optimale. Le projet va d'analyser expérimentalement leur comportement sous chargement quasi-statique monotone ou cyclique ainsi que la compression dynamique et de prédire numériquement leur comportement et leur durée de vie.