Experimentální ověření mechanické odezvy tištěných modulárních metamateriálů

Abstract

Tato práce se věnuje experimentálnímu studiu mechanických vlastností hexagonálních buněk a jejich agregaci do větších modulárních struktur za účelem dosažení meta-materiálového chování. Experimentální měření je založeno na analýze digitálního obrazu, která poskytuje detailní informaci o mechanickém chování jak jednotlivých buněk tak celých agregátů. Získaná experimentální data mají v budoucnu sloužit k ověření nově vyvinutého teoretického výpočetního modelu. Některé provedené experimenty byly navrženy jako proof of concept s důrazem na vytvoření efektivní testovací metody pro budoucí ještě detailnější výzkum. Optimalizace a zrychlení stávajících postupů byly klíčovými cíli, zejména s ohledem na teoretický výpočetní model, který vyžaduje rychlý přístup k přesným vstupním parametrům. Procesy modulace tuhosti a orientace vnitřních konzol v hexagonálních buňkách byly pečlivě zkoumány za účelem optimalizace vlastností těchto buněk pro specifické inženýrské aplikace. Součástí práce byla také měření odhadující vliv vzoru výplně 3D tištěných vzorků na jejich celkovou odezvu, což přispělo k celkovému porozumění chování těchto struktur. Integrace aspektů vzoru 3D tisku do experimentálního rámce představuje další dimenzi inovace, umožňující efektivní vývoj a testování nových materiálových struktur s potenciálem pro inženýrské aplikace využívající aditivní technologie výroby.

This thesis is dedicated to the experimental study of the mechanical properties of hexagonal cells and their implementation in modular structures with “meta” characteristics. The experimental observation is based on digital image analysis, which allows detailed measurements and tracking of the behaviour of individual cells as well as their larger scale aggregates. The experimental data obtained is intended to validate a newly developed theoretical mathematical model. Some experimental executions have been designed as a proof of concept, with an emphasis on developing an efficient method for future, more complex, tests. Optimisation and acceleration of existing procedures were the key objectives, particularly about the theoretical computational model to be fed by quickly and precisely acquired parameters. The processes of modulating the stiffness of the hexagonal cells were carefully studied to optimise and customise their properties for specific engineering applications. The work also includes measurements to assess the influence of the filling pattern of the 3D printed specimens on their overall performance, which further contributed to a better understanding of the behaviour of these structures. Integrating 3D printing aspects into the experimental framework thus represents yet another dimension of innovation, enabling the efficient development and testing of new material structures with potential for broad engineering applications with additive manufacturing technology at heart.