انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 10 23 Reverse engineering and bottleneck analysis for domestic production of tundish nozzles used in steel continuous casting مهندسی معکوس و شناسایی گلوگاه‌های تولید به منظور بومی‌سازی نازل‌های تاندیش مورد استفاده در صنعت ریخته‌گری پیوستۀ فولاد 1 19 234528 10.22034/ijme.2025.540633.2121 FA امین اسمعیل‌زاده آشینی گروه مهندسی مواد، دانشکدۀ فنی مهندسی، دانشگاه میبد، یزد، ایران شرکت فولاد کاوۀ جنوب کیش، بندرعباس، ایران 0000-0002-2594-8151 مهدی فیض‌پور گروه مهندسی مواد، دانشکدۀ فنی مهندسی، دانشگاه میبد، یزد، ایران 0000-0002-2594-8151 هادی برزگر بفروئی گروه مهندسی مواد، دانشکدۀ فنی مهندسی، دانشگاه میبد، یزد، ایران 0000-0003-4327-2308 Journal Article 2025 08 12 This study aims to identify the key production bottlenecks in manufacturing a high-quality tundish nozzle comparable to an imported foreign part. By overcoming these bottlenecks, we strive to develop the technical expertise necessary to produce these nozzles domestically. The tundish nozzle was examined in three parts: the metallic holder, the refractory castable (nozzle seat), and the nozzle insert. Analysis using ICP, SEM-EDS, and XRD revealed that this holder is composed of over 99.5% iron, with a carbon content of 0.055% and no significant alloying elements. The primary phase is alpha iron (ferrite), with a small amount (less than 1%) of iron carbide (cementite). Analysis of the refractory castable and nozzle insert using XRD, XRF, and SEM-EDS indicated that these components contain alumina, mullite, silica, and spinel phases (in the refractory castable) and partially stabilized zirconia using 2-3% calcium oxide and magnesium oxide (in the nozzle insert). We believe that the refractory part consists of alumina, clay compounds (including kaolin and ball clay), zircon (zirconium silicate), and carbon, while the insert utilizes partially stabilized zirconia. The research indicates that the key bottleneck in producing the metal holder is the shaping process, which uses a dedicated mold. For the refractory part, the bottleneck lies in achieving a suitable formulation of raw materials to obtain the desired phase composition for optimal performance under operating conditions. The production of the zirconia nozzle insert is challenging due to its complex and hollow shape, which requires specialized techniques such as slip casting or isostatic pressing, rather than conventional powder pressing. این مقاله بر آن است که با بررسی اجزای یک نمونه نازل تاندیش خارجی، گلوگاه‌های تولید این قطعه را شناسایی کرده و نشان دهد چگونه می‌توان با رفع این موانع، به دانش فنی ساخت آن دست یافت و جایگزینی مطمئن برای نمونۀ خارجی فراهم آورد. نازل تاندیش در این پژوهش در سه بخش مورد بررسی قرار گرفته است: نگهدارندۀ فلزی، جرم نسوز نشیمنگاه نازل و توپی نازل. نتایج آنالیزICP، SEM-EDS و بررسی فازی به روش پراش پرتو ایکس نشان می‌دهد بیش از 5/99 % درصد وزنی نگهدارندۀ فلزی از عنصر آهن تشکیل شده است. میزان کربن آن 055/0 درصد وزنی بوده و هیچ عنصر آلیاژی خاصی در آن وجود ندارد. فاز اصلی آن آهن آلفا (فرّیت) است که مقدار اندکی کاربید آهن (سمنتیت) کمتر از یک درصد وزنی در آن دیده می‌شود. همچنین، نتایج حاصل از بررسی‌های فازی XRD، آنالیز شیمیایی XRF و مشاهدات SEM-EDS از جرم نسوز و توپی نازل نشان داد: در جرم نسوز فازهای آلومینا، مولایت، سیلیس و اسپینل وجود دارد و توپی نازل نیز از زیرکونیای نیمه‌پایدار، تثبیت‌شده با ۲ تا ۳ درصد اکسید کلسیم و اکسید منیزیم تشکیل شده است. بر این اساس پیش‌بینی می‌شود در تولید جرم نسوز از آلومینا، ترکیبات رسی مانند کائولن و بال‌کلی، زیرکون (سیلیکات زیرکونیم) و کربن استفاده شده باشد و برای توپی نازل از زیرکونیای نیمه‌پایدار بهره گرفته شده باشد. یافته‌های این پژوهش نشان می‌دهد که گلوگاه تولید نگهدارندۀ فلزی نازل تاندیش، عمدتاً در فرایند پرس‌کاری و ساخت قالب مخصوص این قطعه نهفته است. گلوگاه تولید جرم نسوز به انتخاب و فرمولاسیون دقیق مواد اولیه مربوط می‌شود تا بتوان به آنالیز فازی مطلوب رسید و عملکرد مناسبی در شرایط عملیاتی واقعی داشت. در مورد توپی زیرکونیایی نیز، چالش اصلی به دانش فنی روش‌های تولید آن بازمی‌گردد؛ چرا که شکل خاص این قطعه امکان پرس پودر به روش‌های متعارف را فراهم نمی‌کند و لازم است از روش‌هایی مانند ریخته‌گری دوغابی یا پرس ایزواستاتیک استفاده شود که هر یک پیچیدگی‌های فنی خاص خود را دارند.

https://www.iranjme.ir/article_234528_45497ba6a1e6d7cef662449eba414cc7.pdf

انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 11 18 Investigation of chip morphology in machining of aluminum matrix composites containing 1% tin بررسی مورفولوژی براده در ماشینکاری کامپوزیت‌های زمینه آلومینیوم حاوی 1% قلع 20 37 234529 10.22034/ijme.2025.543922.2130 FA محمد حسنی فرد مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران ، ایران 0009-0005-9560-2104 رضا آذرافزا مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران ، ایران 0000-0002-7957-3295 محمدحسین علائی مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران ، ایران 0000-0001-9385-5865 مسلم نجفی مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران ، ایران 0000-0002-9978-8840 Journal Article 2025 08 29 Aluminum matrix composites (AMCs) are widely used in aerospace, automotive, and advanced engineering applications due to their high specific strength, wear resistance, and thermal stability. However, the presence of hard reinforcing particles makes their machining challenging, often leading to the formation of discontinuous, serrated, or unstable chips, which negatively affect surface quality and tool life. Therefore, improving chip morphology is crucial for enhancing the machinability of these materials. In this study, the effects of machining parameters (cutting speed, feed rate, depth of cut, and lubrication conditions) and the role of tin (Sn) addition on chip morphology during the turning of Al–Mg₂Si composites were investigated. Two types of composites (with and without Sn) were fabricated via in-situ casting and machined under various conditions using a Taguchi L16 orthogonal array. The results showed that cutting speed had the most significant effect on chip type and length, while feed rate and depth of cut exhibited critical influences at specific levels. SEM–EDS analysis revealed diffusion wear with the transfer of tool elements (W, Co, and C) onto the chip surface, which was mitigated under optimized machining conditions. Furthermore, the addition of 1 wt.% Sn reduced average chip length and promoted more uniform and stable chip formation. Overall, alloy modification combined with optimized machining parameters effectively improved the chip formation process, reduced tool wear, and enhanced the machinability of Al–Mg₂Si composites. کامپوزیت‌های زمینه آلومینیوم به‌دلیل استحکام ویژه بالا، مقاومت به سایش و پایداری حرارتی، در صنایع هوافضا، خودروسازی و تجهیزات پیشرفته کاربرد گسترده‌ای دارند. با این حال، حضور ذرات سخت تقویت‌کننده در این مواد، فرایند ماشینکاری را با چالش‌هایی همراه ساخته و اغلب منجر به تشکیل براده‌های ناپیوسته، دندانه‌دار و غیرپایدار می‌شود که تأثیر منفی بر کیفیت سطح و عمر ابزار دارند. از این رو، بهبود مورفولوژی براده نقشی کلیدی در ارتقای قابلیت ماشینکاری این کامپوزیت‌ها ایفا می‌کند. در پژوهش حاضر، اثر پارامترهای ماشینکاری (سرعت برش، نرخ پیشروی، عمق برش و شرایط روانکاری) و نقش افزودنی قلع (Sn) بر مورفولوژی براده در تراشکاری کامپوزیت Al–Mg₂Si بررسی شد. برای این منظور، دو نوع کامپوزیت (با و بدون قلع) به روش ریخته‌گری درجا تولید و با استفاده از طرح آزمایش تاگوچی L16 مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان داد که سرعت برش بیشترین اثر را بر طول و نوع براده دارد، در حالی که نرخ پیشروی و عمق برش در مقادیر بحرانی موجب تغییر رفتار براده‌برداری شدند. آنالیز SEM–EDS بیانگر وقوع سایش نفوذی و انتقال عناصر ابزار (W، Co و C) به سطح براده‌ها بود که با انتخاب پارامترهای بهینه کنترل گردید. علاوه بر این، افزودن 1% قلع موجب کاهش میانگین طول براده و تشکیل براده‌هایی یکنواخت‌تر و پایدارتر شد. در مجموع، ترکیب اصلاح آلیاژی و انتخاب شرایط بهینه ماشینکاری به‌طور مؤثری موجب بهبود فرایند براده‌برداری، کاهش سایش ابزار و ارتقای قابلیت ماشینکاری کامپوزیت‌های Al–Mg₂Si گردید.

https://www.iranjme.ir/article_234529_d1a78e59a1421b35cccc001d1acebc05.pdf

انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 10 23 Numerical investigation of laser bending process of perforated tubes بررسی عددی فرایند خمکاری به کمک لیزر لوله‌های سوراخ‌دار 38 48 234646 10.22034/ijme.2025.550425.2136 FA مهدی صفری دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران دانش دانش پور دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران Journal Article 2025 10 01 Perforated tubes are hollow cylinders characterized by a pattern of uniform holes created in their tubular structure. The properties of perforated tubes enable their use in a wide range of applications, including filtration systems, architectural elements, chemical and process engineering, aerospace and automotive, agricultural applications, and more. In this study, the laser bending process of Perorated tubes is investigated through numerical simulation. The commercial finite element software Abaqus is used for the numerical simulations. To this end, the effects of the most important input parameters of the process, including laser output power, laser scanning speed and the number of holes located along the irradiation path, on the vertical and lateral displacements of the free edge of the laser-bent tube are investigated. The vertical displacement of the tube's free edge represents the main bending of the tube, while the lateral displacement of the free edge is an undesirable phenomenon and effect that leads to a reduction in the dimensional accuracy of the laser-bent tubes. The results show that by increasing the laser power, the vertical and lateral displacements of the free edge of the laser-bent tube increase. On the other hand, increasing the laser scan speed leads to a decrease in the vertical and lateral displacements of the free edge. Moreover, with an increase in the number of holes located along the irradiation path, the vertical displacement of the free edge of the tube decreases, while the lateral displacement increases. لوله‌های سوراخ‌دار، استوانه‌های توخالی هستند که با مجموعه ای از سوراخهای یکنواخت که در ساختار لوله ایجاده شده‌اند مشخص میشوند. ویژگی‌های لوله‌های سوراخ دار، استفاده از آن ها را در طیف گستردهای از کاربردها از جمله: سیستم‌های فیلتراسیون، عناصر معماری، مهندسی شیمی و فرایند، هوافضا و خودرو، کاربردهای کشاورزی و غیره امکان پذیر می سازد. در این پژوهش فرایند خمکاری به کمک لیزر لوله های سوراخ‌دار به صورت شبیه سازی عددی بررسی می شود. جهت انجام شبیه سازی های عددی از نرم افزار المان محدود تجاری آباکوس استفاده می‌شود. بدین منظور اثر مهمترین پارامترهای ورودی فرایند شامل توان خروجی لیزر، سرعت اسکن لیزر و تعداد سوراخ واقع بر مسیر تابش دهی بر جابجایی‌های عمودی و جانبی لبه آزاد لوله خمکاری شده به کمک لیزر مورد بررسی قرار می گیرند. جابجایی عمودی لبه آزاد لوله همان خمش اصلی لوله می باشد در حالی که جابجایی جانبی لبه آزاد یک پدیده و اثر نامطلوب بوده که منجر به کاهش دقت ابعادی لوله‌های خمکاری شده به کمک لیزر می شود. نتایج نشان می دهند که با افزایش توان لیزر جابجایی های عمودی و جانبی لبه آزاد لوله خمکاری شده با لیزر افزایش می یابند. از طرف دیگر افزایش سرعت اسکن لیزر منجر به کاهش جابجایی های عمودی و جانبی لبه آزاد می‌شود. همچنین با افزایش تعداد سوراخ های واقع بر مسیر تابش دهی جابجایی عمودی لبه آزاد لوله کاهش می یابد در حالی که که جابجایی جانبی زیاد می شود.

https://www.iranjme.ir/article_234646_2a9b8fcd25555fb7e601d77c27229385.pdf

انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 10 23 Topology optimization of continuous structures using a combination of Galerkin mesh-free methods and bidirectional evolutionary topology optimization بهینه‌سازی توپولوژی سازه‌های پیوسته با استفاده از ترکیب روش‌های بدون شبکه‌ی گالرکین و بهینه‌سازی توپولوژی تکاملی دو جهته 49 60 236228 10.22034/ijme.2025.531262.2107 FA علیرضا لوائی دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران 0000-0002-5948-6135 علی رحمانی فیروزجائی دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران 0000-0001-6874-7635 Journal Article 2025 08 12 This paper presents an advanced approach to optimize the topology of structures by combining the bidirectional evolutionary structural optimization method with the mesh-free Galerkin method. The main goal of this hybrid approach is to significantly reduce the computational time while maintaining high accuracy in the optimization process. Traditional mesh-based methods, especially in problems involving complex geometries, often require accurate mesh generation and repeated mesh reconstruction during the optimization process, which can significantly increase the computational cost and complexity. Therefore, by combining a mesh-free method such as the mesh-free Galerkin method, the proposed approach eliminates the need for mesh generation and, when combined with the efficiency of the bidirectional evolutionary topology optimization algorithm, leads to a faster and simpler optimization process. The numerical results presented in this study show that this hybrid method is up to 2.5 times faster than conventional finite element-based approaches, while still ensuring reliable mechanical performance and structural integrity. Furthermore, due to the flexibility of the Galerkin mesh-free method in handling complex geometries and variable boundary conditions, the proposed technique is particularly effective for real-world engineering applications. It is particularly suitable for industries such as aerospace, automotive, and mechanical engineering where the demand for lightweight, robust, and complex structural designs is high. Overall, the integration of the Galerkin mesh-free method and bidirectional evolutionary optimization provides a robust and efficient solution to the limitations of traditional topology optimization techniques. Numerical results presented in this study show that this combined method is up to 2.5 times faster than conventional approaches based on the finite element method (FEM), while still ensuring reliable mechanical performance and structural integrity. Furthermore, due to the flexibility of the EFG method in handling complex geometries and variable boundary conditions, the proposed technique is particularly effective for real-world engineering applications. This method is particularly suitable for industries such as aerospace, automotive, and mechanical engineering where the demand for lightweight, strong, and complex structural designs is high. Overall, the integration of BESO and EFG provides a robust and efficient solution to the limitations of traditional topology optimization techniques. این مقاله رویکردی پیشرفته برای بهینه‌سازی توپولوژی سازه‌ها با ترکیب روش بهینه‌سازی سازه‌ای تکاملی دوطرفه با روش بدون شبکه گالرکین معرفی می‌کند. هدف اصلی این رویکرد ترکیبی، کاهش قابل توجه زمان محاسبات ضمن حفظ دقت بالا در فرایند بهینه‌سازی است. روش‌های سنتی مبتنی بر شبکه، به ویژه در مسائلی که شامل هندسه‌های پیچیده هستند، اغلب نیاز به تولید شبکه دقیق و بازسازی مکرر شبکه در طول فرایند بهینه‌سازی دارند که می‌توانند هزینه و پیچیدگی محاسباتی را به طور قابل توجهی افزایش دهند. لذا با ترکیب یک روش بدون شبکه مانند روش بدون شبکه گالرکین، رویکرد پیشنهادی نیاز به تولید شبکه را از بین می‌برد و هنگامی که با کارایی الگوریتم بهینه‌سازی توپولوژی تکاملی دو جهته ادغام می‌شود، منجر به فرایند بهینه‌سازی سریع‌تر و ساده‌تری می‌شود. نتایج عددی ارائه شده در این مطالعه نشان می‌دهد که این روش ترکیبی تا 5/2 برابر سریع‌تر از رویکردهای مرسوم مبتنی بر روش اجزا محدود عمل می‌کند، درحالی که همچنان عملکرد مکانیکی قابل اعتماد و یکپارچگی سازه را تضمین می‌کند. علاوه بر این، به دلیل انعطاف‌پذیری روش بدون شبکه گالرکین در مدیریت هندسه‌های پیچیده و شرایط مرزی متغیر، تکنیک پیشنهادی به ویژه برای کاربردهای مهندسی دنیای واقعی موثر است. این روش به ویژه برای صنایعی مانند هوافضا، خودرو و مهندسی مکانیک که تقاضا برای طرح‌های سازه‌ای سبک، قوی و پیچیده زیاد است، مناسب است. به طور کلی، ادغام روش بدون شبکه گالرکین و بهینه‌سازی تکاملی دوجهته، یک راه حل قوی و کارآمد برای محدودیت‌های تکنیک‌های سنتی بهینه‌سازی توپولوژی ارائه می‌دهد. نتایج عددی ارائه شده در این مطالعه نشان می‌دهد که این روش ترکیبی تا 2.5 برابر سریع‌تر از رویکردهای مرسوم مبتنی بر روش اجزا محدود عمل می‌کند، در حالی که همچنان عملکرد مکانیکی قابل اعتماد و یکپارچگی سازه را تضمین می‌کند. علاوه بر این، به دلیل انعطاف‌پذیری روش بدون شبکه گالرکین در مدیریت هندسه‌های پیچیده و شرایط مرزی متغیر، تکنیک پیشنهادی به ویژه برای کاربردهای مهندسی دنیای واقعی موثر است. این روش به ویژه برای صنایعی مانند هوافضا، خودرو و مهندسی مکانیک که تقاضا برای طرح‌های سازه‌ای سبک، قوی و پیچیده زیاد است، مناسب است. به طور کلی، ادغام روش بدون شبکه گالرکین و بهینه‌سازی تکاملی دوجهته، یک راه حل قوی و کارآمد برای محدودیت‌های تکنیک‌های سنتی بهینه‌سازی توپولوژی ارائه می‌دهد.

https://www.iranjme.ir/article_236228_54c369e3dc38817e5d043f2ef56d2ab3.pdf

انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 10 23 Analysis of the effect of mechanical cold working on the microstructural features and hardness of austenitic stainless Steels 316 and 316LVM تحلیل اثر فرایند کار سرد مکانیکی بر ویژگی‌های ریزساختاری و سختی فولادهای آستنیتی زنگ نزن 316 و LVM316 61 70 236225 10.22034/ijme.2025.547323.2133 FA حسین امینی مشهدی گروه پژوهشی مواد نوین، سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی، مشهد، ایران 0009-0003-5434-2962 حسین نوروزی صحرائی گروه پژوهشی مواد نوین، سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی، مشهد، ایران 0009-0003-1377-3352 احمد مولودی گروه پژوهشی مواد نوین، سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی، مشهد، ایران 0000-0002-2145-7662 مسعود گلستانی پور گروه پژوهشی مواد نوین، سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی، مشهد، ایران 0000-0001-5501-7545 Journal Article 2025 09 17 Austenitic stainless steels are widely used in industrial and biomedical applications owing to their excellent corrosion resistance and biocompatibility. Improving their mechanical performance through deformation-based processes such as cold working is essential for enhancing durability and functional reliability. In this study, the effect of different thickness reductions during cold rolling on the microstructure and hardness of 316 and 316LVM austenitic stainless steels was investigated. Cold rolling was performed at room temperature with thickness reductions of 20%, 40%, and 60%. Microstructural examinations revealed that increasing deformation led to grain refinement and elongation along the rolling direction, accompanied by partial formation of strain-induced martensite. This transformation was more pronounced in 316 steel, while in 316LVM, the austenitic structure remained more stable due to its lower carbon content and higher purity. The Brinell hardness of 316 steel increased from 114 HB to 342 HB at 60% reduction, whereas that of 316LVM increased from 112 HB to 333 HB. Although X-ray diffraction analysis indicated a small amount of strain-induced martensite in 316 steel, the martensite phase was not visually distinguishable in OM/SEM images due to its very low volume fraction. Overall, the findings indicate that controlling the degree of cold work provides an effective approach to tailoring the mechanical properties of austenitic stainless steels for industrial and biomedical applications. فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و زیست‌سازگاری مناسب، از پرکاربردترین مواد در صنایع به‌ویژه تجهیزات پزشکی و ایمپلنت‌های ارتوپدی محسوب می‌شوند. بهینه‌سازی خواص مکانیکی این فولادها از طریق فرایندهای شکل‌دهی نظیر کار سرد، نقش مهمی در افزایش طول عمر و عملکرد آن‌ها دارد. در این پژوهش، اثر نورد سرد با درصد کاهش سطح مقطع مختلف بر ریزساختار و سختی فولادهای آستنیتی 316 و LVM316 مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات ریزساختاری پس از انجام نورد سرد نشان داد که با افزایش درصد کاهش سطح مقطع، دانه‌ها ریزتر شده و در جهت نورد به ویژه در درصدهای 40% و 60% امتداد بیشتری می‌یابند. نتایج سختی‌سنجی نشان داد که با کاهش 60% سطح مقطع، سختی فولاد 316 از 114 برینل به 342 برینل و سختی فولاد LVM316 از 112 برینل به 333 برینل افزایش یافت. مقایسه تصاویر میکروسکوپی با نتایج سختی‌سنجی و اشعه ایکس حاکی از آن است که در فولاد کم‌کربن LVM316، افزایش سختی عمدتاً ناشی از تغییرات مورفولوژیکی دانه‌ها در اثر کار سرد بدون ایجاد فاز مارتنزیتی قابل توجه است. اگرچه نتایج پراش اشعه ایکس، تشکیل مقدار اندکی مارتنزیت کرنشی را در فولاد 316 نشان داد، اما این فاز در تصاویر نوری و الکترونی قابل تفکیک نیست و تیغه‌های مشاهده‌شده مربوط به باندهای لغزش و دوقلویی‌های کرنشی هستند. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، بهینه‌سازی شرایط کار سرد می‌تواند رویکردی مؤثر برای ارتقای خواص مکانیکی و دوام این فولادها باشد. این امر علاوه بر کاهش وابستگی به واردات مواد پیشرفته، گامی مهم در مسیر بومی‌سازی و توسعه کاربردهای صنعتی فولادهای آستنیتی زنگ‌نزن به‌شمار می‌رود.

https://www.iranjme.ir/article_236225_921679f391bf7434122f21f6a615c934.pdf

انجمن مهندسی ساخت و تولید ایران مهندسی ساخت و تولید ایران 2476-504X 12 8 2025 10 23 Designing and manufacturing a Three-Dimensional metamaterial with re-entrant structure produced by 3D printing for energy absorption طراحی و ساخت یک فراماده سه‌بعدی با ساختار ری-انترنت تولید شده به روش پرینت سه بعدی به عنوان جاذب انرژی 71 81 236224 10.22034/ijme.2025.541696.2122 FA رزگار حسن‌زاده گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران 0009-0005-0133-9334 محمد مهدی اشرفیان گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران 0000-0001-7591-370X Journal Article 2025 08 16 Ensuring effective energy absorption is especially critical for crewed missions and biological payloads. This study aims to design and evaluate a three-dimensional (3D) metamaterial structure, derived from a two-dimensional (2D) re-entrant unit cell, as an efficient energy absorber during the landing phase of space missions. The primary objective is to develop a lightweight structure with enhanced energy absorption capacity, suitable for integration into space systems. A novel 3D cylindrical metamaterial was developed by rotating 2D re-entrant unit cells around a central vertical axis. Two materials were used for sample fabrication: thermoplastic polyurethane (TPU) for the 2D structures and polylactic acid (PLA) for the 3D structures. All samples were produced using fused filament fabrication (FFF) 3D printing technology. Quasi-static compression tests were performed on the 3D samples to assess their mechanical behavior and energy absorption performance. Force-displacement data were recorded and analyzed to determine the energy absorption metrics. The 3D metamaterial structure demonstrated superior energy absorption capabilities. It was able to absorb a total of 148.39 J of energy and exhibited a specific energy absorption (SEA) of 2.232 kJ/kg. These values significantly surpass those reported in previous studies for comparable structures, indicating the effectiveness of the new design. The proposed 3D metamaterial structure, fabricated via FFF 3D printing and based on a rotated re-entrant unit cell design, exhibits excellent energy absorption performance. Its high SEA and lightweight configuration make it a strong candidate for use in the impact mitigation systems of space payloads, offering promising potential for future space applications. فرود ایمن محموله، به‌ویژه در شرایط برخورد با سرعت بالا، یکی از چالش‌های مهم در ماموریت‌های فضایی است. جذب انرژی برخورد، به‌ویژه برای محموله‌های سرنشین‌دار و زیستی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هدف این مطالعه، طراحی و ارزیابی یک ساختار متامتریال سه‌بعدی بر پایه سلول واحد تورفته دوبعدی به‌عنوان جاذب انرژی مؤثر در مرحله فرود مأموریت‌های فضایی است. یک ساختار متامتریال استوانه‌ای سه‌بعدی نوین با چرخاندن سلول‌های واحد تورفته دوبعدی حول یک محور عمودی مرکزی طراحی شد. برای ساخت نمونه‌ها با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی از دو ماده استفاده گردید: پلی‌یورتان ترموپلاستیک برای ساختارهای دوبعدی و پلی‌لاکتیک اسید برای ساختارهای سه‌بعدی. آزمون‌های فشاری شبه‌استاتیک بر روی نمونه‌های سه‌بعدی انجام شد تا رفتار مکانیکی و عملکرد جذب انرژی آن‌ها ارزیابی شود. نتایج نشان می‌دهند که ساختار فراماده سه‌بعدی پیشنهادی قادر است که انرژی برخورد را به میزان 39/148 ژول جذب کند و جذب انرژی ویژه‌ای معادل 232/2 کیلوژول بر کیلوگرم ارائه دهد. بنابراین ساختار توسعه داده شده، به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای از دیگر ساختارهای مشابه در تحقیقات پیشین، عملکرد بهتری را نشان داده است. ساختار پیشنهادی متامتریال سه‌بعدی که با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی و بر پایه طراحی سلول واحد تورفته چرخان ساخته شده است، عملکرد بسیار مطلوبی در جذب انرژی دارد. مقدار بالای جذب انرژی ویژه و وزن سبک آن، این ساختار را به گزینه‌ای مناسب برای به‌کارگیری در سیستم‌های کاهش ضربه محموله‌های فضایی تبدیل می‌کند و پتانسیل بالایی برای کاربردهای آینده در حوزه هوافضا دارد.

https://www.iranjme.ir/article_236224_5320ef756daf503a33770af43141cb35.pdf