- Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems
- Ramadan, Mohamed Refat Mostafa <1991>
Subject
- ING-IND/13 Meccanica applicata alle macchine
Description
- Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.
- I meccanismi con elementi flessibili, noti col termine inglese “Compliant Mechanisms” (CM), consentono la realizzazione di strutture intelligenti ad alte prestazioni. Tuttavia, produrre tali strutture con i materiali e le tecniche di lavorazione tradizionali è molto difficile. Grazie al recente sviluppo delle tecniche di produzione additiva, una possibilità per la realizzazione di queste strutture è la stampa tridimensionale (3D) di compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre continue, ad esempio mediante la stampante MarkTwo (MT) di Markforged. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è di gettare le basi per la risoluzione di questi problemi. Una prima attività svolta riguarda lo studio sperimentale del comportamento a trazione e a flessione di lamine rettilinee flessibili (Straight Beam Flexures, SBF) realizzate mediante 3D-MT e caratterizzate da diverse frazioni volumetriche e disposizioni delle fibre all’interno del medesimo strato e in strati differenti. La seconda attività riguarda lo sviluppo di uno strumento per l’analisi numerica di queste SBF, basato sulla formulazione unificata di Carrera (Carrera Unified Formulation, CUF) utilizzando l'approccio “component-wise” (CW), che include un nuovo elemento di pre-elaborazione che consente di considerare tutte le regioni stampate in modo semplice e con un ridotto tempo computazionale. Tra i suoi vantaggi, l'approccio CUF-CW consente di raccogliere le frequenze naturali dei primi modi di vibrare e di prevedere il modulo di Young del composito sulla base di una formulazione del problema inverso. Per convalidare lo strumento, i risultati numerici sono confrontati con le frequenze naturali valutate sperimentalmente mediante un approccio basato sulla correlazione di immagini digitali. Come terza ed ultima attività, le potenzialità della stampa mediante MT, in associazione con l’ottimizzazione topologica e la progettazione di meccanismi con membri/giunti flessibili (Compliant Joint Design, CJD), sono state investigate nel contesto della realizzazione di meccanismi per macchine automatiche soggetti a carichi inerziali.
Date
- 2022-06-15
Type
- Doctoral Thesis
- PeerReviewed
Format
- application/pdf
Identifier
urn:nbn:it:unibo-28759
Ramadan, Mohamed Refat Mostafa (2022) Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems, [Dissertation thesis], Alma Mater Studiorum Università di Bologna. Dottorato di ricerca in Meccanica e scienze avanzate dell'ingegneria