Projekty a granty

Pevnostní a materiálová optimalizace 3D tištěných prvků

SP2024/093

Technologie 3D tisku představuje metodu aditivní výroby, umožňující vytvářet trojrozměrné objekty přidáváním materiálu na základě digitálních dat. Tato technologie, od svých prvních kroků v Japonsku v roce 1980 [1], dosáhla v posledních letech výrazného rozvoje, vyniká zejména ve variabilitě tvarů a širokém spektru využití. Projekt se zaměřuje na FFF/FDM technologii (Fused Filament Fabrication / Fused Deposition Modeling), nejrozšířenější metodu 3D tisku, s důrazem na zpracování termoplastů. Vytvoření objektů probíhá postupným nanášením vrstev taveného materiálu. Mechanické vlastnosti tištěných předmětů jsou determinovány faktory jako směr a velikost vláken, orientace předmětu, teplota tisku a použitý materiál, což ovlivňuje ovlivňující vyrobitelnost, rychlost tisku a pevnost výsledného produktu. 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 aktivně pracuje na vývoji vlastního funkčního algoritmu pro vytváření parametricky definované vnitřní struktury nosníku. Algoritmus je sestaven v parametrickém programu Rhino-Grasshopper, který pracuje s NURBS (Non-uniform rational basis spline). Tento algoritmus umožňuje uživateli generovat vnitřní strukturu s variabilními vlastnostmi, jako jsou různé tloušťky, velikosti a hustota. Součástí algoritmu je výpočet průřezových charakteristik objektu v daném řezu. Jeho hlavním cílem je dosáhnout lehčích, ale zároveň pevných 3D tisků s možností modifikace podle specifických potřeb, například typu zatížení nebo prostupů. Téma prostorových struktur za účelem optimalizace je již studované téma [10, 11]. Projekt se věnuje ověření a implementaci účinnosti nově vyvíjeného algoritmu pro vytváření parametricky definované vnitřní struktury nosníků pomocí technologie 3D tisku. Algoritmus má za cíl dosáhnout optimálních výsledků z hlediska pevnosti, materiálové efektivity a času potřebného k výrobě. Součástí bude vytvoření numerických modelů, které reflektují již prozkoumané materiálové vlastnosti a odpovídají experimentům provedeným v rámci tohoto projektu. V kontextu předchozích výzkumů, konkrétně projektů (SGS 2021/83, SGS 2022/96 a SGS 2023/098), kde byly analyzovány mechanické vlastnosti 3D tištěných materiálů technologiemi FFF/FDM, představuje navrhovaný projekt přirozené pokračování a rozšíření těchto předchozích studií. Jde o pečlivé prohloubení porozumění této problematiky, a to zejména ve spojení s disertační prací hlavního řešitele (Tuhostní a statická analýza a optimalizace tvaru vybraných 3D tištěných průřezů). V rámci projektu bude také probíhat důkladné zkoumání možností využití 3D tištěných prvků ve stavebnictví. Hlavním cílem bude provést komplexní analýzu a srovnání různých typů nosníků generovaných nově vyvinutým algoritmem s parametrickou vnitřní strukturou. Cílem je optimalizovat nosníky z hlediska jejich pevnosti a efektivity využitého materiálu, což bude důkladně prověřeno laboratorními zkouškami na ohyb. Numerické modely vytvořené v rámci tohoto procesu budou pečlivě analyzovány a výsledky porovnány. Druhotným cílem projektu bude zkoumání praktického využití 3D tištěných prvků ve stavebnictví. Zaměříme se konkrétně na vývoj spojovacích prvků z výše uvedených typů filamentu pro dřevěné konstrukční prvky, které by mohly efektivně nahradit kovový spojovací materiál a přispět k modulární výstavbě. Velkou devizou této části výzkumu je využití informací z projektu SP2023/054 kolegy Jana Dedka z Katedry pozemního stavitelství, který ve spolupráci s hlavním řešitelem studoval možnosti vyztužování krokevních prvků pomocí 3D tištěných lamel. Současně bude výzkum plně v koordinaci s projektem CZ.01.01.01/01/22_002/0000545 kolegy Jiřího Teslíka, kde vznikla potřeba zkoumat alternativy pro spojování dřevěných konstrukcí Další inspirací mohou být například nedávné studie [12,13], které prokázali výhodnou kombinaci dřevěných prvků a 3D tištěních prvků, i když ne přímo ve stavebnictví. 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] Nicolau, A.; Pop, M.A.; Coșereanu, C. 3D Printing Application in Wood Furniture Components Assembling. Materials 2022, 15, 2907. https://doi.org/10.3390/ma15082907 [13] Valiyousefi, Mehrzad & Aliheidarloo, Atoosa. (2019). Study the impact of 3D-printed joints on the complex wooden structures. PŘEHLED POUŽITÝCH METOD: 1) Mechanické vlastnosti materiálu PC Blend (polykarbonát) • Stanovení vlastností při namáhání tlakem (ČSN ISO 604) = 10 vzorků, 2 velikosti průřezu tištěného vlákna (0,2x0,4 a 0,4x0,8) • Přilnavost mezi vrstvami vláken (norma není = vlastní postup) = 20 vzorků, 2 orientace vláken, 2 velikosti průřezu tištěného vlákna (0,2x0,4 a 0,4x0,8) • Je počítáno s minimálně 2 tiskovými kotouči s celkovou hmotností materiálu 1 940 g. 2) Vývoj algoritmu a jeho funkcí • Optimalizace programového skriptu • Vytvoření skriptu pro úpravu generované struktury ve specifických místech prvku – zvýšení pevnosti v kritických místech podle predikovaného zatížení. 3) Generování virtuálních objektů zkušebních těles a laboratorní zkoušky • Budou vytvořeny minimálně 3 série vzorků po min. 5 kusech. Každá série bude mít odlišně generovanou vnitřní strukturu pomocí vyvíjeného algoritmu. Rozměry vzorků budou přibližně 330 mm délka, 40 mm šířka, 60 mm výška – rozměry mohou být upraveny dle možností 3D tiskárny a komplikací při výrobě od tepelné deformace. Jeden vzorek spotřebuje cca 350 g tiskového materiálu – 15 vzorků = 5 250 g = cca 6 kotoučů materiálu po 970 g + zmetky a další případné varianty vzorku = 10 kotoučů. • Testování vzorků na tříbodový ohyb ( ČSN EN ISO 178). 4) Navržení a vytvoření 3 typů (každý v počtu 5 kusů) vzorků spojujících dřevěné panely, • Pro tyto vzorky je počítáno se 4 tiskovými kotouči s celkovou hmotností materiálu 3 880 g. 5) Experimentální testování a numerické modely uvedených vzorků. Bude využit software Ansys (Metoda konečných prvků) . Použité normy: - 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 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. - ČSN EN ISO 604. Plasty – Stanovení tlakových vlastností, 2004. Brusel: CEN - Evropský výbor pro normalizaci. Třídící znak 64 0606. HARMONOGRAM PRACÍ: leden: příprava a rešerše únor: práce na algoritmu a výroba vzorků, současně bude testováno pár již vyrobených vzorků (výroba a testován vzorků bude probíhat dále v průběhu roku dle potřeby a rychlosti tisku) březen: příprava numerických modelů na základě vyrobených vzorků, laboratorní testování vzorků dalších vzorků duben: koordinace výroby vzorků pro spojování dřevěných prvků, výroba první sady, příprava příspěvků na konferenci Modelování v Mechanice 2024, květen: účast na konferenci Modelování v Mechanice 2024, – 3 příspěvky, téma zahrnující jak optimalizaci 3D tisku, tak spojovací techniky a numerické modelování – každý z příspěvků bude mít na starost jeden z členů týmu, červen: testování dalších sad vzorků, evaluace numerických modelů, příprava jednoho z impaktovaných článků červenec: rozšíření výroby na novou tiskárnu s větší tiskovou plochou září: testování zbývajících vzorků, vyhodnocení dat, příprava dalšího impaktovaného článku říjen–listopad: vyhodnocení, příprava poslední publikace, zaslání článků ZDŮVODNĚNÍ ZAPOJENÍ JEDNOTLIVÝCH ČLENŮ Ing. arch. David Juračka (cca 8 h/týdně) – Katedra stavební mechaniky - 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 posterů na konference - příprava článků - projekt přímo souvisí s tématem disertační práce - Tuhostní a statická analýza a optimalizace tvaru vybraných 3d tištěných průřezů Ing. Marek Kawulok (cca 2 h/týdně) – Katedra stavební mechaniky - pomoc s vyhodnocováním výsledků numerického modelování - podílení se na tvorbě článku - Téma disertační práce - Kulový pohlcovač jako pasivní dynamický tlumící člen o V rámci svého tématu vyvíjí své navržené laboratorní zařízení, kde je využit 3D tisk Ing. Kateřina Matýsková (cca 1 h/týdně) - Katedra stavebních hmot a diagnostiky staveb - obsluha laboratorního vybavení - Téma disertační práce - Vliv granulometrie cementu a příměsí na vlastnosti betonů s ternárními pojivy o Návaznost na tuto SGS: zájem práce s 3D tiskem betonu, jejichž charakteristika je podobná k tisku z plastu. - testování vzorků, zpracování naměřených dat a grafů průběhu zkoušky - Pomoc s vyhodnocením dat a přípravou článků Ing. David Bujdoš (celkem 60 hodin/rok)-Katedra stavebních hmot a diagnostiky staveb - obsluha laboratorního vybavení - úprava naměřených dat - studentem do září Ing. Radoslav Gandel (celkem 12 hodin/rok) - Katedra stavebních hmot a diagnostiky staveb - náhrada za Ing. Davida Bujdoše s nástupem do týmu v září - obsluha laboratorního vybavení - úprava naměřených dat Ing. Petr Lehner (cca 2 h/týdně) – Katedra stavební mechaniky - Příprava numerických modelů a jejich vyhodnocení - Pomoc s vyhodnocením a přípravou článků Bc. Dominic Gřešica (cca 2 h/týdně) – Katedra stavební mechaniky - Práce na 3D tištěných spojích u dřevěných konstrukčních prvků - Pomoc s vyhodnocením dat 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 SGS 2023/098: Analýza algoritmu pro vnitřní struktury 3D tištěných objektů ZDŮVODNĚNÍ PLÁNOVANÝCH FINANČNÍCH NÁKLADŮ Stipendia – 125 000 Kč 61 000 Kč – Ing. arch. David Juračka 17 000 Kč – Ing. Marek Kawulok 18 000 Kč – Ing. David Bujdoš 16 000 Kč – Ing. Kateřina Matýsková 8 000 Kč – Bc. Dominik Gřešica 5 000 Kč – Ing. Radoslav Gandel Materiálové náklady – 75 030 Kč - 3D tiskárny: o Prusa XL (tiskový prostor 360x360x360 mm, 2 extrudery pro tisk kompozitních materiálů), 64 990 Kč. - Tiskový materiál a doplňky – 5 040 Kč o Nové a náhradní trysky, tiskové pláty, adhezivní spreje pro přilnavost tiskového materiálu k podložce, skleněný plát, materiál k vytvoření ochranného boxu tiskárny Prusa XL pro tepelnou stálost prostředí kvůli teplotní deformaci tisku velkých vzorků (základní tiskový filament, plexiskla, šrouby a jiné) - Dřevěný materiál - KVH, rostlé dřevo a OSB desky, které se používají pro výrobu panelů pro RD - pro testování 3D tištěných spojů těchto konstrukcí – 5 000 Kč Služby – 23 800 Kč - vložné na konferenci Modelování v Mechanice 2024 – 18 800 Kč o Hlavní řešitel, 2 studenti + 1 zaměstnanec - kalibrace pro přístroje v laboratořích – 5 000 Kč Cestovní náhrady – 4 500 Kč - cestovné na konferenci Modelování v Mechanice 2024 – 4 500 Kč Režijní náklady 10 % z celkové částky – 25 370 Kč

2024

2024

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Juračka David Ing. arch.