مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

طراحی و ساخت یک فراماده سه‌بعدی با ساختار ری-انترنت تولید شده به روش پرینت سه بعدی به عنوان جاذب انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران
10.22034/ijme.2025.541696.2122
چکیده
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.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Designing and Manufacturing a Three-Dimensional Metamaterial with Re-entrant Structure Produced by 3D Printing for Energy Absorption

نویسندگان English

Rezgar Hasanzadeh
Mohammad Mahdi Ashrafian
Department of Mechanical Engineering, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran
چکیده English

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.

کلیدواژه‌ها English

Metamaterials
Energy absorption
Re-entrant
3D printing
Space loading

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 آذر 1404