IMPRESSION 3D, EXPÉRIENCES ET MODÉLISATION D'ÉLASTOMÈRES MAGNÉTORHÉOLOGIQUES SOUPLES POUR DES APPLICATIONS ROBOTIQUES SOUPLES

3D-PRINTING, EXPERIMENTS AND MODELING OF SOFT MAGNETORHEOLOGICAL ELASTOMERS FOR SOFT ROBOTIC APPLICATIONS

• Auteur / Autrice : Zehui Lin
• Direction : Konstantinos Danas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 16/10/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMS - Laboratoire de Mécanique des Solides

Mots clés

Mots clés libres

Magnétoélasticité

Grandes transformations

Polymères

Impression 3D

Magnetoelasticity

Finite strains

Polymers

3D-printing

Résumé

Les élastomères magnétorhéologiques (MRE) sont un nouveau type de matériaux composites intelligents comprenant des particules magnétiques métalliques molles (par exemple, du fer) ou dures (par exemple, NdFeB) de taille micrométrique. À partir de ces matériaux, il est possible de concevoir un certain nombre de méso- et macrostructures intéressantes, minces ou volumineuses, qui peuvent donner lieu à un certain nombre de fonctionnalités telles que la formation de motifs en surface, le gonflement négatif ou positif, l'activation de réseaux, le coefficient de Poisson négatif, l'évolution des propriétés magnétiques anisotropes, le flambage hiérarchique, etc. Leur modélisation et leurs essais expérimentaux sont très exigeants car ils présentent des déformations finies et, dans la plupart des cas, un fort couplage magnéto-mécanique. Ce couplage est le résultat des interactions magnétiques particule-particule à l'échelle microscopique et de l'élasticité de la matrice environnante, ainsi que de la synergie entre la forme géométrique macroscopique de l'échantillon et les conditions limites magnéto-mécaniques appliquées. Ces interactions évoluent au cours d'un processus de grande déformation et il faut les décrire et les mesurer suffisamment bien pour retrouver la réponse réelle du matériau. Bien qu'un certain nombre d'approches de modélisation (numériques et théoriques) aient été développées dans le contexte de ces matériaux au cours de la dernière décennie, la plupart des travaux expérimentaux se concentrent sur des formes d'échantillons simples (par exemple, des cylindres, des poutres, des matériaux de type treillis simple, des blocs film-substrat, etc.) et des constituants de matériaux simples (par exemple, une fraction volumique uniforme de particules sous forme isotrope ou de chaîne). ) et des constituants matériels simples (par exemple, une fraction volumique uniforme de particules sous forme isotrope ou de chaîne). À leur tour, un certain nombre de géométries analysées numériquement ont montré l'immense potentiel des EMR dans un certain nombre d'applications haut de gamme telles que la locomotion de robots mous activés de l'extérieur par de petits champs magnétiques, ou des motifs de surface pour le contrôle potentiel de la réflexion de la lumière ou la séparation de médicaments biomédicaux et même le contrôle des ondes acoustiques via des métamatériaux auxétiques ou chiraux.

Magnetorheological elastomers (MREs) are a new kind of composite smart materials comprising metallic soft (e.g. iron) or hard (e.g. NdFeB) magnetic micron-sized particles. Out of these materials one can devise a number of interesting meso- and macrostructures slender or bulk that can lead to a number of functionalities such as surface patterning, negative or positive swelling, network activation, negative Poisson ratio, evolving anisotropic magnetic properties, hierarchical buckling and others. Their modeling and experimental testing is highly demanding since they exhibit finite strains and, in most cases, strong magneto-mechanical coupling. This coupling is a result of the microscale particle-particle magnetic interactions and elasticity of the surrounding matrix as well as of the synergy between the macroscopic geometrical shape of the specimen and the applied magneto-mechanical boundary conditions. Those interactions evolve during a large strain process and one needs to describe and measure them sufficiently well to recover the actual response of the material. While a number of modeling approaches (numerical and theoretical) have been developed in the context of these materials the last decade, most experimental work focuses on simple specimen shapes (e.g., cylinders, beams, simple lattice-type materials, film substrate blocks, etc) and simple material constituents (e.g., uniform particle volume fraction in isotropic or chain form). In turn, a number of numerically-analyzed geometries have shown immense potential of the MREs in a number of high-end applications such as soft robot locomotion activated externally by small magnetic fields, or surface patterns for potential light reflection control or biomedical drug separation and even acoustic wave control via auxetic or chiral metamaterials.