Holographic Lithography for Manufacturing LargeScale Biomimetic ...

Report 4 Downloads 114 Views
Holographic Lithography for Manufacturing Large­Scale Biomimetic Structures  Executive Summary  Ultra­lightweighting, improved safety, reduced cost, and reduced environmental  impact will all be achieved through a combination of biomimetic structural design and  manufacturing by holographic interference lithography. This manufacturing process has  the potential to produce three dimensional variable density nanocrystalline structures in  any form, which in the present proposal means a funicular monocoque vehicle frame  with a substructure similar to bone. This will replace state­of­the­art composites while  being stronger, lighter, less expensive and more energy absorbent in impact. It will be  simpler to recycle (no separation of bonded materials) and produce zero waste during  manufacturing.  Weight Reduction Methodology  Maximum structural efficiency will be achieved by structural optimizations on three  scales:    1. Micro scale: lattice structures will be the underlying micro or nanostructure.  2. Meso scale: packing density of the underlying lattice will vary as needed. For  example, cross sections of the frame will resemble bone with a hard, dense  surface and a more porous core. Structural efficiency of sandwich panels and  foam core cylinders is well documented as a method of hugely increasing the  ratio of moment of inertia to weight. Combined with the unique properties of  micro lattice structures, the proposed solution will surpass all state­of­the­art  composite structures.  3. Macro scale: a funicular structure minimizes bending stresses, which allows less  material to be used in this case. A vehicle is essentially a 4­point supported  bridge structure with strategically placed loads. Optimally, the loads should be  supported by the overhead structure instead of an underbelly chassis in pure  bending stress. A structural skin or true monocoque will therefore be employed,  which will also eliminate fasteners, welds, and other imperfect joining methods.   

Innovation  Computer generated holographic interference patterns produced in a large vat of  photoreactive material have the potential to rapidly produce 3D objects in any form. This  manufacturing process will be radically more cost effective than state­of­the­art  alternatives and it enables the production of previously unattainable structural 

geometries that can be radically lighter and stronger. The strength, weight, and crash  worthiness potential of nano crystalline structures has been recently been documented.  “The question now is: how do you scale this?”  1  The answer is large­scale holographic  interference lithography. The slow process of ​ beam laser interference  photopolymerization must be replaced with true holographic image polymerization.    Bill of Materials  Photoreactive monomer  Aluminum     Required Manufacturing Processes  Photoreactive materials and coherent lasers are the backbone of the  manufacturing technology. ​ Research has already demonstrated micro and nano  crystalline structures​  created by interference lithography .2 ​  In order to advance the  current research in interference lithography to a capable state will require scaling the  technology of computer generated holography.    Passenger Safety  Energy is dissipated by the flexure and crushing of microlattice structures that  compose the frame and body of the vehicle. Energy absorbance of these structural  geometries has been shown to far exceed state­of­the art materials.  Innovative/Safety Component  Safety is most enabled by the variable geometry microstructure lattice frame,  which will exhibit radically improved energy absorbance and is made possible by the  manufacturing process proposed herein. Composing the frame of a single material that  exhibits variable density and geometry of its microcrystalline lattice structure produces a  material that is both exceptionally hard ​ and ​ flexible. Combining these qualities has  always been the motivation behind composite materials (from steel reinforced concrete  to carbon fiber reinforced polymers), but evidence suggests that state­of­the­art  composites would be far surpassed in energy absorbance capacity and strength to  weight ratio by variable geometry microstructure materials. Significant lightweighting is  therefore achieved while radically improving occupant safety.  

Potential Challenges  Scaling the interference lithography process from the micrometer scale to the  meter scale is the largest hurdle. We propose shift from current research approaches of  beam laser interference photopolymerization to one of true holographic image  polymerization. This manufacturing process depends on research in computer  generated holography, which is a rapidly advancing field but one that may realistically  take 10 or more years to achieve the scale and image quality required for this proposal.      1. http://www.technologyreview.com/featuredstory/534976/nano­architecture/ 

2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.200700140/abstract