La Black Technology de Tsinghua apparaît en couverture de Science : un film est attaché à un tube rond pour le transformer en une structure 3D complexe en quelques secondes

Dans la pratique industrielle, l'assemblage de pièces et d'équipements électroniques est un maillon clé pour le fonctionnement normal d'équipements mécaniques complexes. Autrefois, les substrats sur lesquels ces composants étaient assemblés étaient majoritairement plats, et les quelques pièces assemblées sur des surfaces courbes se limitaient pour la plupart à des structures simples et difficiles à modifier.

Pour des pièces structurelles tridimensionnelles complexes, peut-il être installé sur un substrat courbé tout en le rendant facile à installer et à modifier ? Récemment, l'équipe du professeur Zhang Yihui de l'Université Tsinghua a proposé une nouvelle stratégie d'assemblage pour résoudre ce problème et a publié les résultats dans le dernier numéro de Science Advance.

Lien papier : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922

Le document mentionne que les appareils électroniques dotés de structures tridimensionnelles conçues ont une meilleure friction pour la détection de force de friction, l'imagerie optique à grand champ et la mesure du débit sont essentielles. Les progrès récents dans l'assemblage à guidage mécanique établissent des itinéraires structurels tridimensionnels définis dans des matériaux hautes performances grâce à des déformations de roulement/pliage/flexion contrôlées. Cependant, les structures tridimensionnelles résultantes sont principalement formées sur des substrats plats et ne peuvent pas être directement transférées sur un autre substrat incurvé.

Cette étude introduit une stratégie d'assemblage ordonné qui peut transformer des films 2D en structures 3D complexes sur différentes surfaces courbes. Cette stratégie utilise une charge mécanique prédéterminée pour déformer le substrat élastomère incurvé en une structure planaire/cylindrique, qui est ensuite entraînée par une précontrainte uniaxiale/biaxiale supplémentaire pour entraîner l'ensemble guidé par boucle.

Grâce à la modélisation mécanique, la charge prédéterminée peut être libérée avec précision et les pièces avec des structures tridimensionnelles complexes peuvent être assemblées de manière ordonnée sur la surface incurvée. Dans l'exemple de cet article, des dizaines de pièces avec de telles structures sont. assemblé sur un socle galbé. Ceux-ci incluent des antennes dipôles accordables, des capteurs de débit dans les conduites d'eau, des systèmes électroniques intégrés qui peuvent être intégrés de manière conforme au cœur, et bien plus encore.

L'image ci-dessus est un diagramme conceptuel de la stratégie d'assemblage ordonné de structures tridimensionnelles complexes sur des surfaces courbes.

(A) Utiliser la formation d'un masque décoratif tridimensionnel du visage humain pour illustrer la stratégie d'assemblage ordonné. Les deux images de droite correspondent aux prédictions de l'analyse par éléments finis et aux images optiques de la structure tridimensionnelle dans une bicouche argent (5 m) et PET (75 m).

(B) L'image ci-dessus est le résultat de l'analyse par éléments finis d'une base en spirale et d'une base en spirale qui peut être aplatie par des charges de torsion et de traction. Le panneau inférieur montre le processus d’assemblage ordonné de structures tridimensionnelles en forme de feuille sur un substrat en spirale, ainsi que les prédictions de l’analyse par éléments finis et les images d’imagerie optique.

(C) Schéma conceptuel d'assemblage d'une structure tridimensionnelle sur la surface interne d'un tube cylindrique. Avant intégration avec le précurseur bidimensionnel, le substrat est découpé en oblique, aplati par déformation en flexion, puis pré-étiré. . Le panneau inférieur montre le processus d'assemblage ordonné de structures hélicoïdales tridimensionnelles en couches [aluminium (2,5 m)/PET (30 m)] dans un tube cylindrique, accompagné de prédictions d'analyse par éléments finis et d'images optiques.

(D) Illustration du processus d'assemblage de structures tridimensionnelles sur un substrat en forme de bande de Möbius, et d'un nombre fini de structures de type fourmi [Al (2,5 m)/PET (30 m)] assemblées sur le substrat Prédictions méta-analytiques et images optiques.

La photo ci-dessus montre une structure tridimensionnelle complexe assemblée sur une surface courbe pouvant être aplatie.

(A) est un diagramme schématique d'une base incurvée en forme de fer à cheval, qui peut être aplatie par étirement uniaxial. (B) Image optique illustrant le processus d’assemblage de structures de ruban tridimensionnel sur un substrat en forme de fer à cheval. (C) Analyse par éléments finis et résultats empiriques du profil matriciel génératif d’un substrat élastomère hémisphérique sous différents degrés d’étirement biaxial. R0 représente le rayon de l'hémisphère initial. (D) Prédiction par analyse par éléments finis du profil de déformation principale maximale d’une matrice hémisphérique sous différents degrés d’étirement biaxial.

(E) est une comparaison de rubans droits (Lribbon) de différentes longueurs assemblés sur un substrat hémisphérique comme prédit par l'analyse par éléments finis. (F) Géométries 2D, prédictions FEA et images expérimentales de diverses structures 3D assemblées sur les surfaces convexes et concaves d'un substrat hémisphérique. G à J : Conception inversée d'une surface semi-elliptique assemblée sur une base hémisphérique. (K à N) Conception inverse de petits hémisphères de même hauteur (hi) assemblés à différents emplacements spatiaux sur une base hémisphérique. (O et P) Images optiques d’un réseau de structures microscopiques en spirale et de minuscules microstructures tridimensionnelles en forme de ruban rhomboédrique assemblées à la surface d’un brainoïde.

La photo ci-dessus montre l'assemblage de structures tridimensionnelles complexes sur des surfaces cylindriques/quasi-cylindriques.

(A) Illustration schématique du modèle d'aorte utilisé comme base courbe, et du processus d'assemblage des structures hélicoïdales et doubles hélicoïdales sur cette base par flambage par compression.

(B) Le processus d'assemblage de bandes droites de différentes longueurs sur une base cylindrique par flambage par traction.

(C) Géométries bidimensionnelles, prédictions d'analyse par éléments finis et images expérimentales de diverses structures tridimensionnelles assemblées sur des substrats cylindriques.

(D) Images expérimentales de précurseurs 2D, de prédictions d'analyse par éléments finis et de structures 3D à l'échelle inspirées du kirigami formées par flambage en traction.

(E) Les prédictions de l'analyse par éléments finis et les images expérimentales démontrent le processus d'assemblage ordonné de réseaux structurels à l'échelle inspirés du kirigami sur des fibres en spirale d'Archimède.

(F à H) Conception inversée d'assemblage de structures hélicoïdales de même hauteur et espacement dans différentes zones spatiales sur la fibre hélicoïdale.

Équipe d'auteurs

L'auteur correspondant de cet article est le Dr Zhang Yihui, professeur titulaire au Département d'ingénierie mécanique de l'École d'aéronautique et d'astronautique de l'Université Tsinghua.

A obtenu un doctorat du Département d'ingénierie mécanique, École d'aérospatiale et d'astronautique, Université Tsinghua en 2011. De 2011 à 2015, il a été chercheur postdoctoral et professeur adjoint de recherche au Département de génie civil et environnemental de l’Université Northwestern. En 2015, il rejoint le Département d’Ingénierie Mécanique de l’Université Tsinghua et occupe successivement les postes de professeur agrégé, professeur associé permanent et professeur permanent.

Les principaux domaines de recherche sont l'assemblage de microstructures tridimensionnelles guidé par la mécanique, les matériaux souples non conventionnels, les appareils électroniques flexibles et malléables, les matériaux intelligents et la mécanique structurelle. Jusqu'à présent, 5 brevets d'invention chinois autorisés et 3 brevets d'invention américains ont été publiés. Il a publié 1 monographie académique et plus de 150 articles SCI, parmi lesquels il est l'auteur correspondant dans "Science", "Nature", "Nature Materials", "Nature Electronics", "Nature Reviews Materials", "Nature Communications". , et "Science Advances", "PNAS", "JMPS", "Advanced Materials", "ACS Nano" et d'autres revues ont publié plus de 80 articles universitaires de haut niveau.

Les deux co-premiers auteurs, Xue Zhaoguo et Jin Tianqi, sont tous deux issus du Laboratoire de mécanique appliquée du Département d'ingénierie mécanique de l'Université Tsinghua. Xue Zhaoguo est principalement responsable de la conceptualisation, de la conservation des données, de l'analyse formelle, de l'acquisition de financement, de l'enquête, de la méthodologie, de la gestion de projet, des ressources, des logiciels, de la validation, de la visualisation, de la rédaction d'articles, de la révision et de l'édition. Jin Tianqi est principalement responsable de la conceptualisation, de la gestion des données, de l'analyse formelle, de l'enquête, de la méthodologie, des logiciels, de la visualisation et de la rédaction papier.

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