Metamateriais mecânicos produzidos por fabrico digital direto

Abstract

Atualmente, existe necessidade de materiais inovadores, com novas propriedades, capazes de conferir desempenho superior aos componentes e sistemas. Os materiais sólidos contínuos apresentam propriedades fortemente dependentes dos seus constituintes base. Contudo, com o desenvolvimento dos metamateriais nas últimas décadas, dá origem a uma nova classe de materiais com novas propriedades que resultam da sua microestrutura interna. Os metamateriais mecânicos, especificamente, são uma categoria de materiais celulares cujas propriedades mecânicas são obtidas pela distribuição ótima do material. O principal objetivo deste trabalho é a produção de metamateriais mecânicos através de Fabrico digital direto, estabelecendo relações entre a conceção por intermédio de ferramentas computacionais, a tecnologia de fabrico e a validação experimental. A metodologia utilizada aplica o método numérico de otimização topologia SIMP e explora a conjugação de diferentes restrições de densidade e forças aplicadas nas soluções inicias com os parâmetros de otimização na conceção de microestruturas ótimas. A homogeneização numérica, é utilizada para estimar as propriedades mecânicas das microestruturas otimizadas. Através da fabricação aditiva por Material Jetting as microestruturas ótimas são produzidas sendo posteriormente sujeitas a ensaios mecânicos. As microestruturas obtidas pela metodologia proposta possuem propriedades mecânicas diversas. As propriedades mecânicas experimentais à tração, compressão e corte são inferiores às homogeneizadas e dependentes do tamanho de escala e da fração volúmica de material sólido empregue nos provetes. Sendo os desvios do módulo de Young e de elasticidade transversal inversamente proporcional como aumento da escala e frações volúmicas dos provetes. Apesar das diferenças entre as propriedades homogeneizadas e as experimentais estarem de acordo com o pressuposto de periodicidade assumida nos métodos de homogeneização, existem outros fatores que podem influenciar estes desvios como, o tipo e tamanho de malha empregue na discretização do domínio, o tamanho dos provetes e as condições de fronteira e carregamentos impostos, especificidades do processo produtivo e dos materiais empregues. Este trabalho conclui que a metodologia aplicada é válida para a conceção e produção de metamateriais mecânicos por fabricação aditiva e que as propriedades experimentais destes produzidos por Material Jetting são inferiores às homogeneizadas.

Currently, there is a need for innovative materials with new properties capable of providing superior performance to components and systems. Continuous solid materials have properties that are strongly dependent on their base constituents. However, the development of metamaterials in the last decades gives rise to a new class of materials with new properties that result from their internal microstructure. Mechanical metamaterials, specifically, are a category of cellular materials whose mechanical properties are obtained by the optimal distribution of the material. The main objective of this work is the production of mechanical metamaterials through direct digital fabrication, establishing relationships between design using computational tools, manufacturing technology and experimental validation. The methodology used applies the numerical method of SIMP topology optimization and explores the combination of different density constraints and forces applied in the initial solutions with the optimization in the design of optimal microstructures. Numerical homogenization is used to estimate the mechanical properties of optimized microstructures. Through additive fabrication by Material Jetting, optimal microstructures are produced at different scales being subsequently subjected to mechanical tests The microstructures obtained by the proposed methodology have different mechanical properties. The experimental mechanical properties in traction, compression, and shear are inferior to the homogenized ones and dependent on the scale size factors and the volume fraction of solid material used in the specimens. The deviations of Young’s modulus and transverse elasticity are inversely proportional to the increase in scale and specimens volume fractions. Although the differences between the homogenized and experimental properties are under the periodicity assumption assumed in the homogenization methods, other factors can influence these deviations, such as the type and size of mesh used in the discretization of the domain, the size of the specimens and the border conditions and loads imposed, specificities of the production process and the materials used. This work concludes that the methodology applied is valid for the design and production of mechanical metamaterials by additive manufacturing. The experimental properties of these produced by Material Jetting are lower than those estimated by homogenization.