Ocena odporności na uderzenia obiektów Polyjet drukowanych w 3D

"Odporne na uszkodzenia modele odporne na uszkodzenia mają różne wzory, takie jak zaprawy murarskie, Voronoi, helikoidalne itp., które wykazują wyjątkowe działanie przeciwdziałające uderzeniom o dużej prędkości", mówi Akula. "Te unikalne wzory zwiększają odporność na uszkodzenia (w niektórych przypadkach nawet do 3000 razy więcej niż materiały składowe) poprzez skuteczne rozpraszanie fal uderzeniowych wytwarzanych przez uderzenie. Możliwość naśladowania tych struktur na większą skalę może być przełomowa i może być wykorzystywana w wielu aplikacjach. Postęp w druku 3D umożliwił teraz łatwą i taniej produkcję tych wzorów. Badania pęknięć dynamicznych w strukturach inspirowanych biologicznie są bardzo ograniczone, ale mają kluczowe znaczenie dla rozwoju takich materiałów o zwiększonej odporności na uderzenia. "

Akula i współpracownicy 3D wydrukowali konstrukcję murowaną wykonaną z gumy VeroClear i Tango Czarny plastik na drukarce 3D Stratasys Objet Connex. Badali uszkodzenia w próbce za pomocą testu z małą prędkością z ustalonymi i swobodnymi warunkami brzegowymi. W wolnych warunkach brzegowych nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń, ale pęknięcia powstały, gdy próbka spoczęła na stałym stole metalowym.

Model perydynowego złamania 3D został stworzony dla konstrukcji z cegły, ale porównuje symulacje obliczeniowe z wynikami eksperymentalnymi nie powiodło się z powodu kosztów obliczeniowych. Ustalone warunki brzegowe wymagały modelowania stalowego koryta, co nie było możliwe z laboratoryjnymi możliwościami laboratorium, więc używali eksperymentów Kalthoffa-Winklera.

"Eksperyment Kalthoffa-Winklera jest benchmarkowym dynamicznym problemem złamania, z Zgłoszono kąty pęknięcia 70 stopni ", wyjaśnia Akula. "Nasze wyniki obliczeniowe były bliskie mierzonym kątom 66 stopni dla lewego i 69 stopni dla prawego karbowania. Po zatwierdzeniu naszego modelu perydynowego przeciwko Kalthoff-Winkler przeprowadziliśmy badania konwergencji w celu określenia rozmiaru horyzontu i m dla symulacji perydynowych. "

Następnie symulowali dynamiczny wpływ na pojedynczą poziomą warstwę miękkiej fazy, dwie poziome warstwy, dwupoziomowa cegła i trójwarstwowapróbki zaprawy murarskiej. Uszkodzenia we wszystkich przypadkach były ograniczone do początkowej klapy uderzenia. Badanie odkształcenia fazy miękkiej w próbce wykazało nierealistyczną deformację trójwarstwowej próbki cegły i śmiertelnika.

"Może to wynikać z tego, że miękka faza została zamodelowana jako liniowo elastyczny materiał, podczas gdy guma (miękka) faza) jest nieliniowo elastyczną próbką "kontynuuje Akula. "Aby to rozwiązać, modelowany jest ciągły, nieliniowy model miękkiej fazy. Po modelowaniu nieliniowej fazy miękkiej obserwuje się, że odkształcenia w fazie miękkiej są gładkie i realistyczne. Uszkodzenia w przypadkach liniowych i nieliniowych wydają się takie same. Wskazuje to, że nieliniowy model pomaga w wyraźniejszym widzeniu fazy miękkiej, ale uszkodzenie jest dokładnie odwzorowane nawet przy liniowym modelu sprężystym. "

Przyszłe prace obejmują przeprowadzenie testów uderzenia o wysokiej prędkości za pomocą pistoletu gazowego, z wejściami obliczeniowymi do porównania. Zbadane zostaną również dodatkowe mikrostruktury, w tym nachylone płytki, wzory helikoidalne i Voronoi.

"Musimy zbadać wpływ parametrów uszkodzeń w druku 3D na płaszczyznę budowy próbek" - podsumowuje Akula. "Symulacje obliczeniowe muszą uwzględniać penetrację materiału, a kod powinien być zrównoleglony, aby pomieścić więcej warstw fazy miękkiej i niższego stosunku objętości fazy miękkiej do fazy twardej w mikrostrukturach."