Three-Dimensional printing of intelligent composite polymer materials with sandwich panel structures
Δεν υπάρχει διαθέσιμη μικρογραφία
Ημερομηνία
2026-03-16
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Επιβλέπων
Περίληψη
This thesis presents a comprehensive experimental investigation of cellular and three-dimensional lattice structures, including diamond lattice, rhombicuboctahedron, and honeycomb cores, as well as composite sandwich panels with CFRP facings bonded using epoxy adhesives. The study aimed to evaluate the mechanical performance of these architectures under flexural, compressive, and adhesive shear loads, following relevant ASTM standards for each test.
Diamond lattice specimens (30×30 surface, polyamide material) with a unit cell size of 0.6 and wall thicknesses of 0.8 and 1.2 were tested, showing that increased wall thickness significantly enhanced stiffness and collapse load, highlighting the importance of geometric parameters in controlling relative density and mechanical properties. Rhombicuboctahedron cores (38×38×38) with varying filling ratios demonstrated different load transmission mechanisms, from interior concentration at low ratios to interlayer and inclined transmission at higher ratios. Flexural tests on rhombicuboctahedron samples of various sizes confirmed that bending response strongly depends on geometry and scale.
Honeycomb structures, particularly hexagonal configurations, exhibited bending-dominated stiffness with moderate bending strength and lower in-plane compressive stiffness, while providing higher energy absorption compared to other simple hierarchical geometries. CFRP facings were fabricated using a hand lay-up process with epoxy resins, and cores were bonded to the facings using epoxy adhesive following ASTM D5868.
Material selection included ABS, PLA, and Polyamide (PA) cores. ABS was primarily used for lattice and rhombicuboctahedron cores, while PLA and PA were mainly employed for honeycomb structures. UD CFRP layers (12×15 cm) were applied in six layers per sample, pressed five times per layering. The total cost of materials and laboratory work amounted to approximately €1,179.
This work demonstrates the critical role of systematic design, material selection, and standardized testing in developing lightweight, reliable composite structures. The findings provide valuable guidance for the optimization of lattice cores and sandwich panels and lay the groundwork for future studies on full-scale applications, environmental durability, and fatigue performance.
Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μία εκτενή πειραματική διερεύνηση κυψελωτών και τρισδιάστατων δομών πλέγματος, συμπεριλαμβανομένων πλεγμάτων τύπου diamond, ρομβικυβοκταεδρικών δομών και κυψελωτών πυρήνων (honeycomb), καθώς και σύνθετων πάνελ τύπου sandwich με επενδύσεις από CFRP, οι οποίες συγκολλήθηκαν με εποξειδικές κόλλες. Στόχος της μελέτης ήταν η αξιολόγηση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτών των αρχιτεκτονικών υπό φορτία κάμψης, θλίψης και διατμητικής φόρτισης συγκόλλησης, σύμφωνα με τα αντίστοιχα πρότυπα ASTM για κάθε δοκιμή. Τα δοκίμια πλέγματος τύπου diamond (επιφάνεια 30×30, υλικό πολυαμίδιο), με μέγεθος μοναδιαίου κελιού 0,6 και πάχη τοιχωμάτων 0,8 και 1,2, υποβλήθηκαν σε δοκιμές, καταδεικνύοντας ότι η αύξηση του πάχους τοιχωμάτων ενισχύει σημαντικά τη δυσκαμψία και το φορτίο κατάρρευσης. Το αποτέλεσμα αυτό υπογραμμίζει τη σημασία των γεωμετρικών παραμέτρων στον έλεγχο της σχετικής πυκνότητας και των μηχανικών ιδιοτήτων. Οι ρομβικυβοκταεδρικοί πυρήνες (38×38×38), με διαφορετικούς λόγους πλήρωσης, παρουσίασαν διαφορετικούς μηχανισμούς μετάδοσης φορτίου: από συγκέντρωση στο εσωτερικό σε χαμηλούς λόγους πλήρωσης, έως διαστρωματική και κεκλιμένη μετάδοση σε υψηλότερους λόγους. Οι δοκιμές κάμψης σε δείγματα ρομβικυβοκταεδρικών δομών διαφορετικών διαστάσεων επιβεβαίωσαν ότι η καμπτική απόκριση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία και την κλίμακα της δομής. Οι κυψελωτές δομές, και ιδιαίτερα οι εξαγωνικές διατάξεις, εμφάνισαν δυσκαμψία ελεγχόμενη από κάμψη, με μέτρια αντοχή σε κάμψη και χαμηλότερη δυσκαμψία σε ενδοεπίπεδη θλίψη, ενώ παράλληλα παρείχαν αυξημένη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε σύγκριση με άλλες απλές ιεραρχικές γεωμετρίες. Οι επενδύσεις CFRP κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο hand lay-up χρησιμοποιώντας εποξειδικές ρητίνες, ενώ οι πυρήνες συγκολλήθηκαν στις επενδύσεις με εποξειδική κόλλα σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D5868. Η επιλογή υλικών περιλάμβανε πυρήνες από ABS, PLA και πολυαμίδιο (PA). Το ABS χρησιμοποιήθηκε κυρίως για πλέγματα και ρομβικυβοκταεδρικούς πυρήνες, ενώ το PLA και το PA χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για κυψελωτές δομές. Μονοκατευθυντικές στρώσεις CFRP (12×15 cm) εφαρμόστηκαν σε έξι στρώσεις ανά δοκίμιο, με πέντε πιέσεις σε κάθε στάδιο στρώσης. Το συνολικό κόστος των υλικών και των εργαστηριακών δοκιμών ανήλθε περίπου στα 1.179 €. Η εργασία αυτή αναδεικνύει τον καθοριστικό ρόλο του συστηματικού σχεδιασμού, της κατάλληλης επιλογής υλικών και της τυποποιημένης πειραματικής αξιολόγησης στην ανάπτυξη ελαφρών και αξιόπιστων σύνθετων κατασκευών. Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες κατευθυντήριες γραμμές για τη βελτιστοποίηση πυρήνων πλέγματος και πάνελ τύπου sandwich και θέτουν τη βάση για μελλοντικές μελέτες σε εφαρμογές πλήρους κλίμακας, περιβαλλοντική ανθεκτικότητα και συμπεριφορά κόπωσης.
Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μία εκτενή πειραματική διερεύνηση κυψελωτών και τρισδιάστατων δομών πλέγματος, συμπεριλαμβανομένων πλεγμάτων τύπου diamond, ρομβικυβοκταεδρικών δομών και κυψελωτών πυρήνων (honeycomb), καθώς και σύνθετων πάνελ τύπου sandwich με επενδύσεις από CFRP, οι οποίες συγκολλήθηκαν με εποξειδικές κόλλες. Στόχος της μελέτης ήταν η αξιολόγηση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτών των αρχιτεκτονικών υπό φορτία κάμψης, θλίψης και διατμητικής φόρτισης συγκόλλησης, σύμφωνα με τα αντίστοιχα πρότυπα ASTM για κάθε δοκιμή. Τα δοκίμια πλέγματος τύπου diamond (επιφάνεια 30×30, υλικό πολυαμίδιο), με μέγεθος μοναδιαίου κελιού 0,6 και πάχη τοιχωμάτων 0,8 και 1,2, υποβλήθηκαν σε δοκιμές, καταδεικνύοντας ότι η αύξηση του πάχους τοιχωμάτων ενισχύει σημαντικά τη δυσκαμψία και το φορτίο κατάρρευσης. Το αποτέλεσμα αυτό υπογραμμίζει τη σημασία των γεωμετρικών παραμέτρων στον έλεγχο της σχετικής πυκνότητας και των μηχανικών ιδιοτήτων. Οι ρομβικυβοκταεδρικοί πυρήνες (38×38×38), με διαφορετικούς λόγους πλήρωσης, παρουσίασαν διαφορετικούς μηχανισμούς μετάδοσης φορτίου: από συγκέντρωση στο εσωτερικό σε χαμηλούς λόγους πλήρωσης, έως διαστρωματική και κεκλιμένη μετάδοση σε υψηλότερους λόγους. Οι δοκιμές κάμψης σε δείγματα ρομβικυβοκταεδρικών δομών διαφορετικών διαστάσεων επιβεβαίωσαν ότι η καμπτική απόκριση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία και την κλίμακα της δομής. Οι κυψελωτές δομές, και ιδιαίτερα οι εξαγωνικές διατάξεις, εμφάνισαν δυσκαμψία ελεγχόμενη από κάμψη, με μέτρια αντοχή σε κάμψη και χαμηλότερη δυσκαμψία σε ενδοεπίπεδη θλίψη, ενώ παράλληλα παρείχαν αυξημένη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε σύγκριση με άλλες απλές ιεραρχικές γεωμετρίες. Οι επενδύσεις CFRP κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο hand lay-up χρησιμοποιώντας εποξειδικές ρητίνες, ενώ οι πυρήνες συγκολλήθηκαν στις επενδύσεις με εποξειδική κόλλα σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D5868. Η επιλογή υλικών περιλάμβανε πυρήνες από ABS, PLA και πολυαμίδιο (PA). Το ABS χρησιμοποιήθηκε κυρίως για πλέγματα και ρομβικυβοκταεδρικούς πυρήνες, ενώ το PLA και το PA χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για κυψελωτές δομές. Μονοκατευθυντικές στρώσεις CFRP (12×15 cm) εφαρμόστηκαν σε έξι στρώσεις ανά δοκίμιο, με πέντε πιέσεις σε κάθε στάδιο στρώσης. Το συνολικό κόστος των υλικών και των εργαστηριακών δοκιμών ανήλθε περίπου στα 1.179 €. Η εργασία αυτή αναδεικνύει τον καθοριστικό ρόλο του συστηματικού σχεδιασμού, της κατάλληλης επιλογής υλικών και της τυποποιημένης πειραματικής αξιολόγησης στην ανάπτυξη ελαφρών και αξιόπιστων σύνθετων κατασκευών. Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες κατευθυντήριες γραμμές για τη βελτιστοποίηση πυρήνων πλέγματος και πάνελ τύπου sandwich και θέτουν τη βάση για μελλοντικές μελέτες σε εφαρμογές πλήρους κλίμακας, περιβαλλοντική ανθεκτικότητα και συμπεριφορά κόπωσης.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Three-dimensional (3D) printing, Additive manufacturing, Composite sandwich panels, Polymers, Τρισδιάστατη εκτύπωση, Προσθετική κατασκευή, Σύνθετα πάνελ τύπου sandwich, Πολυμερή