English
Język Polski
Badania doświadczalne własności mechanicznych metamateriałów tensegrity bazujących na module Simplex 4, wykonanych techniką druku 3D
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2024.150987Abstrakt
Konstrukcje tensegrity są strukturami prętowo-cięgnowymi o szczególnej konfiguracji elementów, charakteryzującymi się występowaniem mechanizmów infinitezymalnych równoważonych przez stany samonaprężenia (ang. self-stress). Do głównych zalet tych struktur należą: wysoki stosunek sztywności do masy, możliwość zastosowania w systemach rozwijalnych, możliwość sterowania własnościami mechanicznymi, ekstremalne własności mechaniczne. Metamateriały definiuje się jako zaprojektowane i stworzone przez człowieka, niewystępujące w naturze struktury kompozytowe o nietypowych własnościach. O ich cechach decyduje głównie morfologia struktury. Ostatnie lata przyniosły niezwykle dynamiczny rozwój metamateriałów, w których naukowcy widzą szansę na uzyskanie zrównoważonych materiałów o nietypowych własnościach mechanicznych, pożądanych m.in. w wielu obszarach inżynierii lądowej. Badania doświadczalne metamateriałów tensegrity są jednak wciąż we wczesnej fazie. Niniejsza praca koncentruje się na eksperymentalnym badaniu własności mechanicznych metamateriałów tensegrity wykonanych w technologii druku 3D. Przedstawiono wyniki badań jednoosiowego ściskania przeprowadzonych na szeregu próbek tensegrity – pojedynczych modułach odpowiadających komórkom meta-struktur – różniących się technologią wytwarzania, materiałem macierzystym i rozmiarem. Testy zostały przeprowadzone w dwóch seriach. Celem pierwszej serii było zbadanie różnych technik przyrostowych i różnych materiałów macierzystych o zróżnicowanych właściwościach fizycznych i mechanicznych, w celu wybrania najbardziej odpowiednich technik i materiałów do dalszych badań. Druga seria badań koncentrowała się na dwóch rodzajach analiz: badaniu wpływu materiału macierzystego na zachowanie modułu tensegrity oraz analizie efektu skali w wybranych materiałach macierzystych. Łącznie sprawdzono trzy techniki druku 3D: SLA (ang. Stereolitography), SLS (ang. Selective Laser Sintering) i PolyJet (zmodyfikowana SLA). Technika SLS została odrzucona po pierwszej serii badań ze względu na kruche własności materiału macierzystego. W drugiej serii przebadano cztery rozmiary komórek tensegrity, skupiając się na obserwacji efektu skali. Przeprowadzone badania wykazały, że w przypadku struktur tensegrity bardzo dużą wagę należy przykładać do dokładności wykonania, gdyż wszelkie niedokładności geometrii wpływają w znacznym stopniu na otrzymane wyniki. Ponadto należy tak planować testy, by zapewnić strukturom możliwość deformacji zgodnie z ich ruchem infinitezymalnym. Podczas badań zaobserwowano też wyraźnie powyboczeniowe zachowanie się zastrzałów, należy zatem zwrócić uwagę na stateczność lokalną tych elementów.Bibliografia
[1] R.B. Fuller, “Tensile-integrity structures”, US Patent US3063521A, 1962.
[2] K.D. Snelson, “Continuous tension, discontinuous compression structures”, US Patent US3169611A, 1965.
[3] R. Motro, Tensegrity: Structural Systems for the Future. Kogan Page Science, 2003.
[4] K. Koohestani and S.D. Guest, “A new approach to the analytical and numerical form-finding of tensegrity structures”, International Journal of Solids and Structures, vol. 50, no. 19, pp. 2995-3007, 2013, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2013.05.014.
[5] A. Al Sabouni-Zawadzka, High Performance Tensegrity-Inspired Metamaterials and Structures. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2023.
[6] A. Al Sabouni-Zawadzka and A. Zawadzki, “Simulation of a Deployable Tensegrity Column Based on the Finite Element Modeling and Multibody Dynamics Simulations”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 4, pp. 543-560, 2020, doi: 10.24425/ace.2020.135236.
[7] J. Tomasik and P. Obara, “The application of the immanent tensegrity properties to control the behavior of doublelayered grids”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 131-145, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144164.
[8] T.J. Cui, D.R. Smith, and R. Liu, Metamaterials: Theory, Design, and Applications. Springer, 2010.
[9] G. Singh, R. Ni, and A. Marwaha, “A Review of Metamaterials and its Applications”, International Journal of Engineering Trends and Technology, vol. 19, no. 6, pp. 305-310, 2015, doi: 10.14445/22315381/IJETT-V19P254.
[10] F. Fraternali, G. Carpentieri, A. Amendola, R. Skelton, and V. Nesterenko, “Multiscale tunability of solitary wave dynamics in tensegrity metamaterials”, Applied Physics Letters, vol. 105, no. 20, art. no. 201903, 2014, doi: 10.1063/1.4902071.
[11] F. Fabbrocino, G. Carpentieri, A. Amendola, R. Penna, and F. Fraternali, “Accurate numerical methods for studying the nonlinear wave-dynamics of tensegrity metamaterials”, in Eccomas Procedia COMPDYN 2017.2017, pp. 3911-3922.
[12] A. Amendola, A. Krushynska, C. Daraio, N. Pugno, and F. Fraternali, “Tuning frequency band gaps of tensegrity mass-spring chains with local and global prestress”, International Journal of Solids and Structures, vol. 155, pp. 47-56, 2018, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2018.07.002.
[13] D. De Tommasi, G. Marano, G. Puglisi, and F. Trentadue, “Morphological optimization of tensegrity-type metamaterials”, Composites Part B Engineering, vol. 115, pp. 182-187, 2017, doi: 10.1016/j.compositesb.2016.10.017.
[14] J. Rimoli and R.K. Pal, “Mechanical response of 3-dimensional tensegrity lattices”, Composites Part B Engineering, vol. 115, pp. 30-42, 2017, doi: 10.1016/j.compositesb.2016.10.046.
[15] H. Salahshoor, R.K. Pal, and J. Rimoli, “Material symmetry phase transitions in three-dimensional tensegrity metamaterials”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 119, no. 2, pp. 382-399, 2018, doi: 10.1016/j.jmps.2018.07.011.
[16] Y. Wang, X. Liu, R. Zhu, and G. Hu, “Wave propagation in tunable lightweight tensegrity metastructure”, Scientific Reports, vol. 8, no. 1, art. no. 11482, 2018, doi: 10.1038/s41598-018-29816-6.
[17] M. Modano, I. Mascolo, F. Fraternali, and Z. Bieniek, “Numerical and Analytical Approaches to the Self-Equilibrium Problem of Class θ = 1 Tensegrity Metamaterials”, Frontiers in Materials, vol. 5, no. 5, 2018, doi: 10.3389/fmats.2018.00005.
[18] L.Y. Zhang, S.X. Li, S.X. Zhu, B.Y. Zhang, and G. Xu, “Automatically assembled large-scale tensegrities by truncated regular polyhedral and prismatic elementary cells”, Composite Structures, vol. 184, pp. 30-40, 2018, doi: 10.1016/j.compstruct.2017.09.074.
[19] Y. Ma, Q. Zhang, Y. Dobah, F. Scarpa, F. Fraternali, R. Skelton, D. Zhang, and J. Hong, “Meta-tensegrity: Design of a tensegrity prism with metal rubber”, Composite Structures, vol. 206, pp. 644-657, 2018, doi: 10.1016/j.compstruct.2018.08.067.
[20] K. Liu, T. Zegard, P.P. Pratapa, and G.H. Paulino, “Unraveling tensegrity tessellations for metamaterials with tunable stiffness and bandgaps”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 131, pp. 147-166, 2019, doi: 10.1016/j.jmps.2019.05.006.
[21] J. Bauer, J. Kraus, C. Crook, J. Rimoli, and L. Valdevit, “Tensegrity Metamaterials: Toward Failure-Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation”, Advanced Materials, vol. 33, no. 10, art. no. 2005647, 2021, doi: 10.1002/adma.202005647.
[22] A. Al Sabouni-Zawadzka and W. Gilewski, “Smart Metamaterial Based on the Simplex Tensegrity Pattern”, Materials, vol. 11, no. 5, art. no. 673, 2018, doi: 10.3390/ma11050673.
[23] A. Al Sabouni-Zawadzka and W. Gilewski, “Soft and Stiff Simplex Tensegrity Lattices as Extreme Smart Metamaterials”, Materials, vol. 12, no. 1, art. no. 187, 2019, doi: 10.3390/ma12010187.
[24] A. Al Sabouni-Zawadzka, “Extreme Mechanical Properties of Regular Tensegrity Unit Cells in 3D Lattice Metamaterials”, Materials, vol. 13, no. 21, art. no. 4845, 2020, doi: 10.3390/ma13214845.
[25] K. Pajunen, P. Johanns, R. Pal, J. Rimoli, and C. Daraio, “Design and impact response of 3D-printable tensegrity-inspired structures”, Materials Design, vol. 182, art. no. 107966, 2019, doi: 10.1016/j.matdes.2019.107966.
[26] H. Lee, Y. Jang, J.K. Choe, S. Lee, H. Song, J.P. Lee, N. Lone, and J. Kim, “3d-printed programmable tensegrity for soft robotics”, Science Robotics, vol. 5, no. 45, 2020, doi: 10.1126/scirobotics.aay9024.
[27] C. Intrigila, A. Micheletti, N.A. Nodargi, and P. Bisegna, “Mechanical response of multistable tensegrity-like lattice chains”, Additive Manufacturing, vol. 74, art. no. 103724, 2023, doi: 10.1016/j.addma.2023.103724.
[28] H. Zeng, R. Mu, K. Huo, H. Zhao, K.Wang, and A.Wang, “A novel 3d-printable tensegrity-inspired metamaterial enabling dynamic attenuation”, International Journal of Mechanics and Materials in Design, vol. 19, pp. 883-901, 2023, doi: 10.1007/s10999-023-09656-7.
[29] H. Kodama, “Stereoscopic figure drawing device”, Japanese Patent JP S56-144478, 1981.
[30] C. Hull, “Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography”, US Patent 4,575,330, 1984.
[31] J.U. Surjadi, L. Gao, H. Du, X. Li, X. Xiong, N.X. Fang, and Y. Lu, “Mechanical Metamaterials and Their Engineering Applications”, Advanced Engineering Materials, vol. 21, no. 3, art. no. 1800864, 2019, doi: 10.1002/adem.201800864.
[32] X. Gao, N. Yu, and J. Li, “Influence of printing parameters and filament quality on structure and properties of polymer composite components used in the fields of automotive”, in Structure and Properties of Additive Manufactured Polymer Components. Woodhead Publishing, 2020, pp. 303-330, doi: 10.1016/B978-0-12-819535-2.00010-7.
[33] J. Lewis, “Direct Ink Writing of 3D Functional Materials”, Advanced Functional Materials, vol. 16, no. 17, pp. 2193-2204, 2006, doi: 10.1002/adfm.200600434.
[34] J. Huang, Q. Qin, and J. Wang, “A Review of Stereolithography: Processes and Systems”, Processes, vol. 8, no. 9, art. no. 1138, 2020, doi: 10.3390/pr8091138.
[35] V. Harinarayana and Y.C. Shin, “Two-photon lithography for three-dimensional fabrication in micro/nanoscale regime: A comprehensive review”, Optics & Laser Technology, vol. 142, no. 2, art. no. 107180, 2021, doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107180.
[36] X. Gan, G. Fei, J. Wang, Z. Wang, M. Lavorgna, and H. Xia, “Powder quality and electrical conductivity of selective laser sintered polymer composite components”, in Structure and Properties of Additive Manufactured Polymer Components. Woodhead Publishing, 2020, pp. 149-185, doi: 10.1016/B978-0-12-819535-2.00006-5.
[37] X. Song, W. Zhai, R. Huang, J. Fu, M.W. Fu, and F. Li, “Metal-Based 3DPrinted Micro Parts & Structures”, in Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys, vol. 4. Elsevier, 2022, pp. 448-461, doi: 10.1016/B978-0-12-819726-4.00009-0.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
