Projekty a granty

Analýza algoritmu pro vnitřní struktury 3D tištěných objektů

SP2023/098

Technologie 3D tisku se řadí mezi obecné odvětví aditivní výroby. Proces výroby trojrozměrného objektu přidáváním materiálu na základě digitálních dat. Je to opačný postup k odebírání materiálu, jaké známe například u obrábění. První známky příchodu technologie 3D tisku se objevují v Japonsku s pokusem podání prvního patentu autorem Hideo Kodama [1] v roce 1980. Svého největšího přerodu však dosahuje teprve v posledních letech. Vyniká především v oblasti prototypizace se schopností vytvořit téměř jakýkoli tvar, jež by nebylo možné, či s velkým časovým a finančním úsilím, běžnými postupy vyrobit. Využívá se dnes téměř v každém odvětví, které si lze představit – strojírenství, konstrukce, modelářství, architektura a design, medicína, výuka, móda, stavitelství a vesmír. Možnosti zpracování materiálů dnes umožňují také tisk plastů nejrůznějších druhů, kovů, keramiky, betonu, tkáně a dokonce jídla. Pro studovaný záměr projektu je použita nejrozšířenější technologie tisku označována zkráceně FFF (Fused Filament Fabrication) nebo také FDM (Fused Deposition Modeling). Nejčastěji se 3D tisk používá pro zpracování termoplastů. Principem je natavení tohoto materiálu v podobě struny (běžně nazývaný filament) přes nahřívací element nazývaný tryska. Z ní vychází na vzduchu tuhnoucí plast, který je tažen, čímž vzniká vlákno, ve vodorovné rovině xy. Vlákna sestavená v jedné tiskové rovině formují vrstvu. Ty jsou postupně kladeny na sebe, až je vytištěn celý objekt. Výsledné mechanické vlastnosti 3D tištěných předmětů závisí na mnoha aspektech, např. na směru a velikosti vláken, orientaci předmětu, teplotě tisku, materiálu. Tyto aspekty ovlivňují jeho vyrobitelnost, rychlost, spotřebu materiálu, čas a především pevnost. Průřez prvku nelze považovat za homogenní, protože mezi jednotlivými vlákny jsou mezery. Z tohoto důvodu mají prvky anizotropní charakter, a proto je důležité specifikovat, zda je napětí vedeno podél vláken, napříč nebo pod určitým úhlem, viz [5, 6, 7, 8] a již autorem publikovaný článek [9]. Dále je nutné uvažovat vnitřní výplň objektu tvořenou geometrickým vzorem a procentuálním zaplněním vymezeného prostoru. Poslední výzkumy zaměřující se na stavebnictví, studují využití vytištěné plastové struktury jako ztraceného bednění a částečné nahrazení ocelové výztuže v jednodušších klasicky železobetonových konstrukcích 3D plastovou formou, kde zvyšuje pevnost betonového prvku v ohybu [2, 3, 4]. V současné době hlavní řešitel pracuje na vlastním funkčním algoritmu pro vytvoření parametricky definované vnitřní struktury nosníku. Je vytvořen v parametrickém programu Rhino-Grasshopper se schopností pracovat v NURBS (Non-uniform rational basis spline). Umožňuje uživateli v importovaném 3D objektu generovat vnitřní strukturu s proměnnými vlastnostmi, např. různá tloušťka, velikost, hustota atd. Jeho součástí je algoritmus pro výpočet průřezových charakteristik v daném řezu objektem. Jeho aspirací je dosažení lehčích, a přitom pevných 3D výtisků s možností modifikace pro dané potřeby (typ zatížení, prostupy, atd.). Téma prostorových struktur za účelem optimalizace je již studované téma [10, 11]. Budoucí vývoj programu může směřovat i na auxetické „zvětšitelné“ materiály (materiál se záporným poissonovým číslem) [12, 13, 14]. REFERENCE [1] Kodama H Stereoscopic figure drawing device Japan JPS56144478A [2] KATZER, Jacek a Aneta SKORATKO. Concept of Using 3D Printing for Production of Concrete–Plastic Columns with Unconventional Cross-Sections. Materials. 2021. vol. 14, iss. 6, ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma14061565. [3] SKORATKO, Aneta a Jacek KATZER. Harnessing 3D Printing of Plastics in Construction—Opportunities and Limitations. Materials. 2021. vol. 14, iss. 16, ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma14164547. [4] SKORATKO, Aneta, Tomasz SZATKIEWICZ, Jacek KATZER a Marcin JAGODA, 2022. Mechanical properties of mortar beams reinforced by gyroid 3D printed plastic spatial elements. Cement and Concrete Composites [online]. 134 [cit. 2022-12-18]. ISSN 09589465. Dostupné z: doi:10.1016/j.cemconcomp.2022.104809 [5] RAVINDRABABU, S., Y. GOVDELI, Z. W. WONG and E. KAYACAN. Evaluation of the influence of build and print orientations of unmanned aerial vehicle parts fabricated using fused deposition modeling process. Journal of Manufacturing Processes. 2018. vol. 34, pp. 659-666. ISSN 15266125. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.07.007. [6] WU, W., P. GENG, G. LI, D. ZHAO, H. ZHANG and J. ZHAO. Influence of Layer Thickness and Raster Angle on the Mechanical Properties of 3D-Printed PEEK and a Comparative Mechanical Study between PEEK and ABS. Materials. 2015. vol. 8, iss. 9, pp. 5834-5846. ISSN 1996-1944. DOI: 10.3390/ma8095271. [7] DIZON, J. R. C., A. H. ESPERA, Q. CHEN and R. C. ADVINCULA. Mechanical characterization of 3D-printed polymers. Additive Manufacturing. 2018. vol. 20, pp. 44-67. ISSN 22148604. DOI: 10.1016/j.addma.2017.12.002. [8] DUDESCU, C. and L. RACZ. Effects of Raster Orientation, Infill Rate and Infill Pattern on the Mechanical Properties of 3D Printed Materials. ACTA Universitatis Cibiniensis. 2017. vol. 69, iss. 1, pp. 23-30. ISSN 1583-7149. DOI: 10.1515/aucts-2017-0004. [9] JURACKA, David, Marek KAWULOK, David BUJDOS a Martin KREJSA, 2020. Influence of Size and Orientation of 3D Printed Fiber on Mechanical Properties under Bending Stress. Periodica Polytechnica Civil Engineering [online]. [cit. 2022-12-18]. ISSN 1587-3773. Dostupné z: doi:10.3311/PPci.19806 [10] MASZYBROCKA, Joanna, Michał DWORAK, Grażyna NOWAKOWSKA, Patrycja OSAK a Bożena ŁOSIEWICZ, 2022. The Influence of the Gradient Infill of PLA Samples Produced with the FDM Technique on Their Mechanical Properties. Materials [online]. 15(4) [cit. 2022-12-18]. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma15041304 [11] ALEJANDRINO, Jonnel D., Ronnie S. II CONCEPCION, Sandy C. LAUGUICO, Rogelio Ruzcko TOBIAS, Lenardo VENANCIO, Dailyne MACASAET, Argel A. BANDALA a Elmer P. DADIOS, 2020. A Machine Learning Approach of Lattice Infill Pattern for Increasing Material Efficiency in Additive Manufacturing Processes. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research [online]. 1253-1263 [cit. 2022-12-18]. Dostupné z: doi:10.18178/ijmerr.9.9.1253-1263 [12] HAN, Dong, Xin REN, Yi ZHANG, Xiang YU ZHANG, Xue GANG ZHANG, Chen LUO a Yi MIN XIE, 2022. Lightweight auxetic metamaterials: Design and characteristic study. Composite Structures [online]. 293 [cit. 2022-12-18]. ISSN 02638223. Dostupné z: doi:10.1016/j.compstruct.2022.115706 [13] ZHENG, Xiaoyang, Xiaofeng GUO a Ikumu WATANABE, 2021. A mathematically defined 3D auxetic metamaterial with tunable mechanical and conduction properties. Materials & Design [online]. 198 [cit. 2022-12-18]. ISSN 02641275. Dostupné z: doi:10.1016/j.matdes.2020.109313 [14] WALLBANKS, Matthew, Muhammad Farhan KHAN, Mahdi BODAGHI, Andrew TRIANTAPHYLLOU a Ahmad SERJOUEI, 2021. On the design workflow of auxetic metamaterials for structural applications. Smart Materials and Structures [online]. 31(2) [cit. 2022-12-18]. ISSN 0964-1726. Dostupné z: doi:10.1088/1361-665X/ac3f78 PŘEHLED POUŽITÝCH METOD - ČSN EN ISO 178. Plasty - Stanovení ohybových vlastností - Část 1: Obecné principy, 2019. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0604. - ČSN EN ISO 527-1. Plasty - Stanovení tahových vlastnost - Část 1: Obecné principy, 2020. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0604. - ČSN EN ISO 527-2. Plasty - Stanovení tahových vlastnost - Část 1: Zkušební podmínky pro tvářené plasty, 2012. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0604. - ČSN EN ISO 20753. Plasty – Zkušební tělesa, 2019. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0226. - ČSN EN ISO 16012. Plasty – Stanovení lineárních rozměrů zkušebních těles, 2017. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0228. - ČSN EN ISO 5725-1. Přesnost (pravdivost a preciznost) metod a výsledků měření – část 1: Obecné zásady a definice, 2018. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 01 0251. HARMONOGRAM PRACÍ: leden–březen: příprava rešerší, práce na algoritmu a numerickém modelu, březen–duben: výroba a laboratorní testování materiálu PC, zaslání vzorku pro resonalyser; příprava příspěvku na konferenci Modelování v Mechanice 2023 květen: účast na konferenci Modelování v Mechanice 2023 červen-září: testování vzorku s vnitřní strukturou a porovnání s numerickým modelem, dotisk případně potřebných vzorků říjen–listopad: vyhodnocení, příprava publikace do časopisu Periodica Polytechnica Civil Engineering ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. arch. David Juračka (cca 8 h/týdně): - práce na numerických modelech - práce na algoritmu pro tvorbu vnitřních struktur tištěných objektů - koordinace a vyhodnocení měření mechanických vlastností - příprava testovacích vzorků - vyhodnocování výsledků - příprava příspěvku a posteru na konferenci Modelování v Mechanice 2023 - příprava článku do Periodica Polytechnica Civil Engineering - projekt přímo souvisí s tématem disertační práce Ing. Marek Kawulok (cca 2 h/týdně): - pomoc s vyhodnocováním výsledků numerického modelování - podílení se na tvorbě článku Ing. David Bujdoš (dle rychlosti výroby vzorků) - obsluha laboratorního vybavení - testování vzorků, zpracování naměřených dat a grafů průběhu zkoušky PŘEDCHÁZEJÍCÍ PROJEKTY SGS JAKO HLAVNÍ ŘEŠITEL SGS 2021/83: Analýza chování 3D vzorků tištěných technologií FFF při namáhání ohybem SGS 2022/96: Analýza chování kompozitních 3D vzorků tištěných technologií FFF/FDM při namáhání ohybem ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ Stipendia – 105 000 Kč 60 000 Kč – Ing. arch. David Juračka 30 000 Kč – Ing. Marek Kawulok 15 000 Kč – Ing. David Bujdoš Materiálové náklady – 10 083 Kč - tiskový materiál (filamenty), přípravky potřebné k chemickému čištění tiskových ploch, nářadí k obsluze s horkou tryskou, náhradní díly 3D tiskárny Drobný hmotný a nehmotný majetek - 1 000 Kč Služby – 5 000 Kč - vložné na konferenci Modelování v Mechanice 2023 - kalibrace pro přístroje v laboratořích. Cestovní náhrady – 5 000 Kč - cestovné na konferenci Modelování v Mechanice 2023 - přeprava vzorků Režijní náklady 10 % z celkové částky – 14 010 Kč

2023

2023

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Juračka David Ing. arch.