Rayleigh-Plateau instability on polymers: fast 3-D printing of mechanic metamaterials

Abstract

En los últimos años, el estudio e interés por los metamateriales, es decir, estructuras creadas a partir de materiales comunes cuya organización interna genera comportamientos son inusuales o inexistentes en la naturaleza, ha aumentado significativamente, incluyendo un especial enfoque en sus procesos de diseño, fabricación y caracterización. En esta tesis presentamos una forma de explotar la conocida inestabilidad Rayleigh-Plateau en múltiples hilos de un fluido viscoso insertado en una solución elastomérica viscosa en proceso de reticulación para construir rápidamente metamateriales mecánicos. Los parámetros de control de la inestabilidad de Rayleigh-Plateau en el proceso de impresión son la cuociente entre las viscosidad de los fluidos, tensión superficial, caudal y velocidad de inyección que definen el radio inicial y amplitud del movimiento zig-zag, que se sintonizaron externamente para generar metamateriales mecánicos blandos y accionables. Este método nos permite posicionar inclusiones esféricas de un fluido con tamaño controlado de manera periódica dentro de una matriz elástica y, por ende, dotar al material compuesto de propiedades mecánicas inusuales mediante el control de la microestructura interna, tales como la aparición de bandas de transmisión y reflexión para ondas mecánicas que pueden ser modificadas externamente mediante simples deformaciones de compresión mecánica así como la utilización de deformaciones de cizalle para generar filtros quirales para ondas mecánicas. Los metamateriales construidos constan de las siguientes caracteristicas: el tiempo de construcción es de 15 minutos, rango de tamaño entre 10-30 cm y el tamaño de las inclusiones esfericas esta entre los 1-2 mm de diametro, estas dos últimas caracteristicas junto con la cantida y forma del arreglo de gotas quedan a disposición del usuario, puesto que son completamente modificables, sin alterar las propiedades generales del metamaterial creado.

In recent years, the study and interest in metamaterials, i.e. structures created from common materials whose internal arrangement generates behaviours that are unusual or non-existent in nature, has increased significantly, including a special focus on their design, fabrication and characterisation processes. In this thesis we present a way to exploit the known Rayleigh-Plateau instability in multiple threads of a viscous fluid embedded in a viscous elastomeric solution undergoing cross-linking to rapidly construct mechanical metamaterials. The Rayleigh-Plateau instability control parameters in the printing process are the ratio between the fluid viscosities, surface tension, flow rate and jetting speed that define the initial radius and amplitude of the zig-zag motion, which were externally tuned to generate soft and actuatable mechanical metamaterials. This method allows us to position spherical inclusions of a fluid with controlled size periodically within an elastic matrix and thereby endow the composite material with unusual mechanical properties by controlling the internal micro structure, such as the appearance of transmission and reflection bands for mechanical waves that can be externally modified by simple mechanical compression deformations as well as the use of shear deformations to generate chiral filters for mechanical waves. The constructed metamaterials consist of the following characteristics: the construction time is 15 minutes, the size range is between 10-30 cm, and the size of the spherical inclusions is between 1-2 mm in diameter. These last two characteristics, together with the quantity and shape of the droplet arrangement, are at the disposal of the user since they are completely modifiable without altering the general properties of the created metamaterial.