Ανάπτυξη δομών τρισδιάστατης εκτύπωσης με συμπεριφορά σύζευξης αξονικών και στρεπτικών παραμορφώσεων

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστιάζει στην ανάπτυξη και διερεύνηση ενός καινοτόμου Μεταϋλικού (Metamaterial) που θα εμφανίζει την ιδιότητα της μετατροπής της μονοαξονικής θλιπτικής καταπόνησης σε στρεπτική παραμόρφωση. Στόχος είναι η εύρεση, ο σχεδιασμός, η ανάλυση, η μελέτη και η κατασκευή μέσω της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης (3D Printing) μικροδομών, οι οποίες θα έχουν τέτοιο γεωμετρικό σχήμα, ώστε να εμφανίζουν την ιδιότητα της σύζευξης Θλίψης-Στρέψης. Πιο συγκεκριμένα το Μεταϋλικό θα αποτελείται από μια περιοδική δομή όμοιων κυψελίδων, όπου κάθε κυψελίδα θα έχει συγκεκριμένη μικροδομή μορφής δικτυώματος. Η ανάπτυξη του θέματος γίνεται σε επτά (7) κεφάλαια: Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται η τεχνολογία της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης (3D Printing), η ιστορική της εξέλιξη και οι επιμέρους κατηγορίες της. Στο Κεφάλαιο 2 αναλύεται η έννοια των Μεταϋλικών (Metamaterials), οι βασικές κατηγορίες τους, με έμφαση στα Μηχανικά Μεταϋλικά (Mechanical Metamaterials) που αποτελούν και τον πυρήνα της παρούσας μελέτης. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται η μηχανική συμπεριφορά των πολυμερών υλικών, καθώς και τα περιβαλλοντικά ζητήματα που σχετίζονται με την παραγωγή και χρήση τους. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα συστήματα CAD–CAE–CAM και ο ρόλος τους στον σχεδιασμό και τη μηχανολογική ανάλυση. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφονται ο σχεδιασμός, οι αριθμητικές προσομοιώσεις και η τρισδιάστατη εκτύπωση των προτεινόμενων μικροδομών. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τις δοκιμές των εκτυπωμένων δομών, συνοδευόμενα από σχετικά διαγράμματα και στιγμιότυπα αστοχίας. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αριθμητικές προσομοιώσεις και τις πειραματικές διατάξεις, καθώς και παρουσιάζονται συγκεντρωτικοί πίνακες και διαγράμματα με σκοπό την πλήρη κατανόηση των αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα της έρευνας επιβεβαιώνουν ότι οι δομές που αναπτύχθηκαν στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μπορούν να μετατρέψουν την Θλιπτική παραμόρφωση σε Στρεπτική παραμόρφωση υπό μονοαξονική καταπόνηση, επαληθεύοντας τον θεωρητικό σχεδιασμό. Η εργασία συμβάλλει στην πρόοδο της γνώσης γύρω από τα Μηχανικά Μεταϋλικά με σύζευξη Θλιπτικών-Στρεπτικών παραμορφώσεων και αναδεικνύει τις προοπτικές τους για εφαρμογές σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, η ρομποτική, τα συστήματα απορρόφησης ενέργειας και η ανάπτυξη υλικών υψηλής απόδοσης. Ιδιαίτερη πρωτοτυπία της εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη ενός νέου και καινοτόμου Μεταϋλικού με δυνατότητα σύζευξης Θλιπτικής-Στρεπτικής παραμόρφωσης, το όποιο εμφάνισε πολύ μεγάλη δυσκαμψία με αποτέλεσμα να μην εμφανίζει λυγισμό. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών παρατηρήθηκε ότι οι δομές παρουσίασαν έντονη πλαστική παραμόρφωση, γεγονός που τους επέτρεψε να απορροφούν μεγάλη μηχανική ενέργεια σε όλη τη διάρκεια της καταπόνησής τους, χωρίς να επανέρχονται πλήρως στην αρχική τους μορφή. Η συμπεριφορά αυτή παραπέμπει στον τρόπο λειτουργίας των αποσβεστήρων, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για εφαρμογές απόσβεσης κραδασμών και απορρόφησης κρουστικής ενέργειας.