Μορφοποίηση σε τρισδιάστατους εκτυπωτές κατασκευών τύπου sandwich με πυρήνες νανοσύνθετων ευκάμπτων μεταϋλικών (ιεραρχικές κυψελοειδείς δομές)

Abstract

In the present thesis, the 3D printed nanocomposite materials for composite sandwich constructions are investigated using the developed hierarchical honeycomb structures as cores and outer sheets (skins) reinforced with carbon fibers based on epoxy resin. These complex structures in combination with the use of advanced nanomaterials can be optimized in terms of mechanical and vibration properties through experimental applications and computational simulation.Specifically, the initial section of the dissertation involves the study and determination of the mechanical performance of polymeric matrix composite materials through various experimental applications such as compression, loading-unloading, nanoindentation and scanning electron microscopy (SEM) experiments to characterize the morphology of the examined samples’ surfaces. Futhermore, a general reference is made to the developed model of automatic hierarchization of honeycomb structures with constant relative density, and then is described the printing of hierarchical honeycomb structures using the two optimal materials, based on the previously studied mechanical properties. Also, the compressive behavior of the printed hierarchical honeycomb structures is presented, which was examined experimentally and theoretically through finite element analysis (FEA) and specifically using ANSYS software, in order to extract the stress-strain diagrams of the honeycomb structures and finally a comparison was made between experimental and theoretical results. In addition, the experimental results of the vibration characteristics of the examined hierarchical honeycomb structures are presented. In the last and most important section of the present dissertation, hierarchical sandwich structures were developed and constructed using the three levels of honeycomb structures as their cores. The hierarchical sandwich structures consist of outer sheets of twill fabric carbon fiber based on epoxy resin, which were glued together with a strong epoxy paste and then subjected to static three-point bending tests, in order to evaluate their mechanical behavior and at the same time were examined and assessed through finite element analysis, for the purpose of their theoretical-experimental comparison. The experimental-theoretical evaluation of the mechanical performance of the examined hierarchical sandwich structures showed very good results and for this reason it is considered appropriate to use the examined sandwich structures in applications of optimal materials and composite structures in section beam-based manufacturing components. In this case, applications were performed using I-beam structure. In addition, a simulation is presented in order to investigate their mechanical performance. The conclusions from the simulation results were quite interesting and showed that the section beams consisting of sandwich hierarchies, is a very optimistic future choice for use in constructions of various sectors.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται διερεύνηση των εκτυπωμένων νανοσύνθετων μεταϋλικών για σύνθετες κατασκευές τύπου sandwich, με χρήση των αναπτυγμένων ιεραρχικών κυψελοειδών δομών ως πυρήνων και εξωτερικά φύλλα ενισχυμένα με ανθρακονήματα με βάση την εποξειδική ρητίνη. Οι σύνθετες αυτές δομές σε συνδυασμό με τη χρήση προηγμένων νανοϋλικών δύναται να βελτιστοποιηθούν όσον αφορά τις μηχανικές και ταλαντωτικές τους ιδιότητες μέσω πειραματικών εφαρμογών και υπολογιστικής προσομοίωσης. Συγκεκριμένα, η αρχική ενότητα της διατριβής περιλαμβάνει τη μελέτη και τον προσδιορισμό της μηχανικής απόδοσης σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας μέσω διαφόρων πειραματικών εφαρμογών, όπως πειράματα θλίψης, φόρτισης-αποφόρτισης, νανοδιείσδυσης καθώς και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), για τον χαρακτηρισμό της μορφολογίας των επιφανειών των δοκιμίων που εξετάζονται. Εν συνεχεία, πραγματοποιείται μια γενική αναφορά στο αναπτυγμένο μοντέλο αυτόματης ιεραρχικοποίησης κυψελοειδών δομών με σταθερή σχετική πυκνότητα και ακολούθως περιγράφεται η εκτύπωση των ιεραρχικών κυψελοειδών δομών με χρήση των δύο βέλτιστων υλικών βάσει των μηχανικών ιδιοτήτων που μελετήθηκαν προηγουμένως. Επίσης, παρουσιάζεται η θλιπτική συμπεριφορά των εκτυπωμένων ιεραρχικών κυψελοειδών δομών, η οποία εξετάστηκε πειραματικά αλλά και θεωρητικά μέσω πεπερασμένων στοιχείων (FEA) και συγκεκριμένα με χρήση του λογισμικού ANSYS, με σκοπό την εξαγωγή των διαγραμμάτων τάσης-παραμόρφωσης των κυψελοειδών δομών ενώ τέλος πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων. Επίσης, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των ταλαντωτικών χαρακτηριστικών των ιεραρχικών κυψελοειδών δομών που εξετάστηκαν. Στην τελευταία και σημαντικότερη ενότητα της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν και κατασκευάστηκαν ιεραρχικές δομές τύπου sandwich με χρήση των τριών επιπέδων κυψελοειδών δομών ως πυρήνες τους. Οι ιεραρχικές δομές τύπου sandwich αποτελούνται από εξωτερικά φύλλα ανθρακονημάτων σταυρωτής πλέξης με βάση την εποξειδική ρητίνη, οι οποίες κολλήθηκαν μεταξύ τους μέσω ισχυρής εποξειδικής πάστας και έπειτα υποβλήθηκαν σε στατικές δοκιμές κάμψης τριών σημείων, με σκοπό την αξιολόγηση της μηχανικής συμπεριφοράς τους και παράλληλα εξετάστηκαν και αξιολογήθηκαν μέσω πεπερασμένων στοιχείων, με σκοπό τη θεωρητική-πειραματική σύγκρισή τους. Η πειραματική-θεωρητική αξιολόγηση της μηχανικής απόδοσης των εξεταζόμενων ιεραρχικών δομών τύπου sandwich φανέρωσε ιδιαίτερα ικανοποιητικά αποτελέσματα και γι’ αυτόν τον λόγο κρίνεται κατάλληλη η χρήση των εξεταζόμενων δομών sandwich σε εφαρμογές βέλτιστων υλικών και σύνθετων δομών σε κατασκευαστικά στοιχεία που έχουν ως βάση τις μορφοδοκούς. Στη συγκεκριμένη περίπτωση πραγματοποιήθηκαν εφαρμογές με χρήση της δομής sandwich τύπου I-beam με στόχο τη διερεύνηση της μηχανικής απόδοσης των δομών αυτών. Τα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αυτής έδειξαν πως οι μορφοδοκοί αποτελούμενοι από ιεραρχίες τύπου sandwich, αποτελούν μια ιδιαίτερα αισιόδοξη μελλοντική επιλογή για χρήση σε κατασκευές διαφόρων τομέων.