| Abstract | THESIS SUMMARY
The tendency in structural engineering and architecture is that prototypes of the future will resemble biological and natural cellular structures. By observing many objects in nature, it was found that the TPMS (triply periodic minimal surface) pattern is an optimal geometry in terms of minimal surface that separates space into equal volume domains. The mechanical principle that prevails in bioinspired TPMS structures is implemented into the topology optimization of structural elements, resulting in minimal material consumption to resist the applied load. The use of TPMS geometries in structures can be a great improvement in its structural properties while increasing visual attractiveness. Combining additive manufacturing (AM) with topology optimization principles into structural design production of complex but optimal forms will result in time and cost reduction while the whole process will be fully controlled.
This research unfolds across several stages: a preliminary investigation into composite bridge decks with lattice structures featuring 2D and 3D core geometries; mechanical characterization of 3D printed materials; parametric design, experimental and numerical analysis of 1) five TPMS unit morphologies with two different relative densities (20% and 40%); 2) topology-optimized load-bearing sandwich panel with tempered glass face sheets, and 3) topology-optimized load-bearing sandwich panel with GFRP face sheets. Furthermore, the analysis approaches of complex TPMS geometries suitable only for 3D printing were investigated. Using the Homogenization Finite Element Analysis (FEA) in Abaqus and the nTopology software, the mechanical properties were calculated using Hooke's law and analytical formulations were determined. These formulations served as inputs for a calculation algorithm tailored for beams and slabs to quickly estimate the bending stiffness. Fracture analysis in Abaqus was conducted on several TPMS units and two main sandwich composite structures utilizing an elastoplastic material model. Finally, the research proposes advanced methodologies for detailed thermal-mechanical analysis and fracture analysis within the Abaqus framework and GENOA software. |
| Abstract (english) | EXTENDED ABSTRACT IN CROATIAN
1. Uvod i pregled stanja područja
Razvoj suvremenih načina brzog prototipiziranja i računalnog projektiranja olakšao je i ubrzao istraživanje biološki inspiriranih struktura za konstruktivnu primjenu. Tako je, promatrajući mnoge prirodne modele, otkriveno da trostruko periodične minimalne plohe (TPMS) predstavljaju optimalnu geometriju koja omogućuje ispunjavanje prostora strukturama minimalne površine. Ovaj biološki nadahnut princip ugrađen je u postupke za topološku optimizaciju konstrukcijskih elemenata kojom se postiže minimalna potrošnja materijala potrebna za zadana opterećenja. Korištenjem TPMS geometrija u projektiranju konstrukcija mogu se istovremeno postići poboljšana mehanička svojstva i poželjno oblikovanje. Združivanje principa topološke optimizacije s tehnikama aditivne proizvodnje (eng. additive manufacturing - AM) omogućit će kontrolirani proces oblikovanja i proizvodnje konstrukcija uz očekivano smanjenje potrebnog vremena i troškova.
Istraživanje opisano u ovom radu provedeno je u nekoliko koraka. Prvo je provedeno preliminarno istraživanje na kompozitnim kolničkim konstrukcijama s rešetkastom ravninskom i prostornom ispunom. Zatim je provedena mehanička karakterizacija 3D ispisanih uzoraka, nakon čega je provedeno parametarsko projektiranje te eksperimentalna i numerička analiza na: 1) uzorcima pet različitih morfologija TPMS jedinica u dvije izvedbe (s 20% i 40%-tnom ispunom), 2) uzorku sendvič panela s topološki optimiziranom 3D ispisanom ispunom ugrađenom između staklenih ploča te 3) uzorku sendvič panela s topološki optimiziranom 3D ispisanom ispunom ugrađenom između dvije ploče od polimera ojačanih vlaknima (eng. glass fibre reinforced polymer - GFRP). Nadalje, istražene su i ispitane prikladne metode proračuna složenih TPMS geometrija izvedivih jedino u tehnici 3D ispisa. Koristeći metodu homogenizacije za analizu konačnih elemenata (eng. finite element analysis - FEA) u računalnim programima Abaqus i nTopology, pomoću Hookeovog zakona dobivene su vrijednosti za mehanička svojstva TPMS struktura kao materijala te su za njih predloženi analitički izrazi. Ti izrazi su poslužili kao ulazni parametri za programski algoritam za preliminarnu procjenu krutosti na savijanje greda i ploča od polimera s TPMS ispunom. Analiza loma u računalnom programu Abaqus provedena je za modele nekoliko TPMS jedinica i dva sendvič sustava sa zadanim elasto-plastičnim ponašanjem materijala. Na kraju, predložene su napredne numeričke metode za detaljnu analizu loma i termodinamičku analizu za računalne programe Abaqus i GENOA.
U sklopu ove doktorske disertacije predložene su sljedeće hipoteze:
H1: TPMS strukture Diamond and Gyroid su najprimjenjivije za nosive konstrukcijske elemente.
H2: Topološki optimizirana TPMS struktura dovodi do ravnomjerne raspodjele naprezanja unutar konstrukcije, što rezultira u uštedi materijala i troškova proizvodnje
Pregled stanja područja
Protekla dva do tri desetljeća došlo je do ubrzanog informatičkog razvoja i posljedično do povećane prilagodljivosti računalnih programa i mogućnosti računalno potpomognutog projektiranja (CAD). To je nadalje projektantski fokus usmjerilo na mogućnosti integracije digitalnog projektiranja s postojećim i novim proizvodnim procesima [1]. Jedan takav proizvodni proces u ubrzanom razvoju je aditivna proizvodnja (AM) ili 3D ispis koja svoju učinkovitost potvrđuje u brojnim industrijama, od medicinske [2], automobilske [3, 4], zrakoplovne [5] do svemirske [6]. Međutim, prodor i primjena aditivne proizvodnje je u građevinarstvu i arhitekturi znatno sporiji pa su tako i primjeri konstrukcija proizvedenih tehnikom 3D ispisa rijetki, bilo da se radi o betonu, metalu, umjetnim i drugim materijalima. Često se ove nove tehnike računalnog projektiranja i (aditivne) proizvodnje testiraju i demonstriraju na tipologiji (pješačkih) mostova [7, 8]. Smatra se da je prvi 3D ispisani most od kompozitnih materijala na bazi polimera (u daljnjem tekstu kompozita) proizveden u Kini 2020. g. [9]. Dimenzija 15,5 x 3,8 m, ovaj most ima proračunatu ukupnu nosivost od 250 kg/m2 i očekivani vijek trajanja od 30 godina. Načinjen je od akrilonitril-stiren-akrilata (ASA) ojačanog staklenim vlaknima s udjelom vlakana od 12,5 % te je težak 5,8 tona. Proizvodnja na 3D pisaču s kapacitetom ispisa od 8 kg/h i radnim volumenom od 24 x 4 x 1,5 m je trajala 30 dana što je relativno sporo u usporedbi s tradicionalnim načinima gradnje.
Recentna istraživanja robotske proizvodnje usmjerena su na mogućnosti dobivanja intrigantnih arhitektonskih oblika uz istodobno smanjenje troškova proizvodnje i ugradnje [10, 11], a brzi napredak informacijskih tehnologija i robotike podržava aditivnu proizvodnju i trodimenzionalni ispis velikih predmeta [12]. Kako su polimeri najzastupljenija vrsta materijala za 3D ispis, a svojom malom težinom i jednostavnošću obrade omogućuju proizvodnju elemenata složenih geometrija, privlače interes istraživača za nove mogućnosti primjene ove vrste proizvodnje.
Prvotna primjena AM-a u gradnji bila je za proizvodnju oplata i kalupa za tradicionalne materijale i proizvodne postupke [14], a svoju prikladnost i učinkovitost kao neovisne građevinske tehnologije demonstrirala je upravo na pojavi inovativnih oblika, materijala i konstrukcijskih rješenja - osobito onih koji sadrže geometrije koje nijedna druga tradicionalna tehnologija do tada nije mogla proizvesti. Aditivne proizvodne tehnologije, posebno FDM (eng. fused deposition modelling) nude jedinstvene mogućnosti kako proizvodnje konstrukcija u različitim veličinama i materijalima [15-18] tako i projektantske slobode kombiniranja i gradacije materijala i samim time olakšanu proizvodnju predmeta funkcionalno složenih geometrija (FGM) [19].
Zahvaljujući pomacima u proizvodnji i znanostima o materijalima, kao i u softverskim mogućnostima [88], istraživanja su sve više usmjerena ka postizanju što laganijih konstrukcija. To uključuje razne strategije, primjerice zamjenu punih dijelova volumena elemenata šupljim jediničnim geometrijama, a za materijal izrade se - u skladu sa strategijama održivog razvoja - primjećuju sve češći pokušaji korištenja materijala prirodnog podrijetla ili potpuno reciklabilnih termoplastičnih materijala [83, 84].
Uvođenje i primjena metamaterijala u graditeljstvu i arhitekturi zahtijeva standardizaciju kako mehaničkih ispitivanja, tako i analize nosivih konstrukcija [38]. Iako je interes za sendvič panele s TPMS ispunom u inženjerskim poljima sve veći, oni su u glavnom manjeg mjerila (od onog potrebnog za konstrukcijsku primjenu) [62] te osim jezgre, imaju i pojaseve ispisane u istom materijalu [105].
Kombiniranjem parametarskog projektiranja i aditivne proizvodnje u jedan povezani proces, inženjeri arhitektonske i građevinske struke mogu precizno odrediti željeni tip, veličinu i svojstva osnovne gradbene jedinice - ćelije - što pruža do sada neviđenu kontrolu nad projektiranjem konstrukcije [29]. Ova inovacija obećava sinergiju građevinarstva, arhitekture i znanosti o materijalima - cilj dostižan aditivnom proizvodnjom i korištenjem visoko funkcionalnih materijala [104].
Uz izazove koje primjena 3D ispisa i aditivnih tehnologija u arhitekturi i građevinarstvu predstavlja, ona istovremeno nosi i veliki potencijal ostvariv kroz daljnji razvoj i istraživanje. Prvenstveno su to mogućnost revolucionariziranja načina projektiranja i proizvodnje suvremenih konstrukcija, veća sloboda oblikovanja, učinkovitija uporaba materijala i ekonomičnije građenje. Da bi se što prije nadišli problemi koji stoje na putu ostvarenja tog potencijala, neophodno je ulagati napor u daljnja istraživanja i razvoj ovih tehnologija kao i njihovu integraciju u sektor projektiranja i gradnje konstrukcija. |
