خواص مکانیکی افزودنی های پلیمر

نگاهی به خواص مکانیکی چندین سازه مشبک سه بعدی در سطح مینیمال دوره ای ساخته شده توسط مواد افزودنی پلیمر

شبکه های سه بعدی در حوزه هایی همچون وزن سبک سازه ای، جذب ضربه و زیست پزشکی کاربرد گستردهای دارند. بر همین اساس، شبکه های مبتنی بر سطوح سه بعدی مینیمال دوره ای از تولید مواد افزودنی پلیمری به وجود آمده و با استفاده از روش ترکیبی محاسباتی-تجربی مورد بررسی نیز قرار گرفته اند. این مطالعه به شفاف سازی مکانیسم های تغییر شکل آنها پرداخته و پارامترهای اساسی را برای برقراری ارتباط بین عملکرد مکانیکی و هندسی شان فراهم می کند. همچنین، سه نوع شبکه مورد بررسی قرار گرفته است؛ یکی از آنها بعنوان شبکه ابتدایی شناخته شده است که بیش از دو برابر دیگر شبکه ها دارای مدول الاستیک نسبی است. روند تغییر شکل این شبکه بطور قابل توجهی متفاوت تر از دو شبکۀ دیگر بوده و نشان دهندۀ کشش و کمانش است؛ در حالیکه تغییر شکل شبکه های الماس و ژیروئید تحت تأثیر خمش است. پیش بینی عناصر محدود از توزیع تنش در شبکه های تحت فشار بار با مشاهدات تجربی کاملا مطابقت دارد. با توجه به این یافته ها، میتوان از طراحی شبکه های بهتر بطور گسترده در کاربردهای مکانیکی و زیست پزشکی استفاده کرد.

مقدمه

مواد جامد سلولی که شامل فوم، لانه زنبوری و سازه های مشبک مرتب و تکراری میشوند به دلیل داشتن خواص مفید و مختلف مورد بررسی قرار گرفته اند. در این میان، ماهیت سبک ذاتی شان بسیار مهم است، اما همچنین فاکتورهای دیگری همچون توانایی جذب اثربخش انرژی فشرده، عملکرد بعنوان مبدل های حرارتی و فراهم آوردن عایق های ارتعاشی و صوتی از اهمیت خاصی برخوردار است. این خواص همراه با قابلیت های MA به منظور ساختن سازه های پیچیده مشبک، جامدات سلولی را برای کاربردهای مکانیکی پیشرفته جذاب می کنند؛ بعنوان مثال در بخش انتقال که ممکن است عملکرد عناصر سبک وزن را با بهره گیری از این خواص در طراحی های بسیار بهینه افزایش دهد. اخیرا در یکی از کاربردهای مهم نشان داده شده است که جامدات سلولی در MA زیست سازگار قابلیت استفاده در ایمپلنت های ارتوپد را دارند؛ جایی که تخلخل و سفتی قابل کنترل آنها را قادر می سازد تا بعنوان داربستی برای ادغام استخوان و بافت عمل کرده و همچنین از آنها در برابر فشارهای ناشی از ایمپلنت های جامد محافظت کنند. میزان فرایندهای تولید مواد افزودنی موجود به این معنا است که این سازه های سلولی میتوانند در طیف گسترده ای از مواد، ژل و پلیمرها گرفته تا آلیاژهای فلزی با استحکام بالا ساخته شوند. چالش اساسی که طراح سازه مشبک در کاربردهای خاص با آن مواجه میشود، انتخاب متغیرهای مناسب در طراحی شبکه است. مواد شبکه، نوع سلول و کسر حجمی نقش مهمی در تعیین سفتی و استحکام سازه ایفا می کنند اما درک کلی از ارتباط دقیق بین این خواص به استثنای ساده ترین نوع شبکه وجود ندارد. این مطلب درمورد خواص حرارتی، الکتریکی و صوتی نیز صدق می کند. این امر میتواند برای هر تلاشی در ترکیب سازه های مشبک همراه با OT  بعنوان ابزار معمولی برای طراحی عناصر تولید مواد افزودنی با کارآیی مادی مشکل ساز باشد.

بنابراین، ایجاد روابط قوی بین هندسه سلولی و عملکرد بسیار مهم است. در این مقاله به بررسی سه سازه مشبک براساس SMPT؛ ژیروئید، الماس و اولیه می پردازیم. این سه نوع شبکه با استفاده از روش مکانیکی و AEF  تحت بررسی قرار گرفته اند. علاوه بر این، رفتار این نوع شبکه ها را تحت بار فشرده بررسی می کنیم و همچنین منحنی تنش-کرنش، مدول های الاستیک، مقاومت در برابر فروپاشی، فرایندهای تغییر شکل و انتشار تنش عددی را مقایسه می کنیم. در ادامه، مجموعه ای از پارامترهای عددی را برای استفاده در مدلهای مرتبط با هندسه و عملکرد مکانیکی در این نوع شبکه ها ارائه می دهیم. علاوه بر این، شبکه های SMPT به این دلیل در این مطالعه انتخاب شده اند که در مقایسه با شبکه های مبتنی بر پایه (برای مثال مکعب بدن محور) که معمولآ با استفاده از MA ساخته و بررسی میشوند، دارای چندین مزیت بالقوه هستند. خواص سازه های مشبک SMPT شامل ترکیب خوبی از سختی خاص و سختی متقارن، نسبت سطح به حجم زیاد، اتصال منافذ، کاهش نیاز به پوسته شدن سطح، سهولت در درجه بندی عملکردی، انتخاب شبکه و فازهای ماتریس با حفره های غیرمتصل، و هدایت متغیر ازطریق انتخاب نوع سلول میشوند. این شبکه ها به دلیل داشتن این خصوصیات به کاربردهایی در حوزه زیست پزشکی و همچنین دستگاههای فتوولتائیک و الکتروکرومیک دست یافته اند. انواع مختلفی از این شبکه ها همچون مواردی که در اینجا مورد بررسی قرار گرفتند، اخیرآ در یک مادۀ لاستیکی مانند زیست سازگار ساخته شده توسط بلانکر و همکاران که انحنای سطح مربوطه، اندازه منافذ و توانایی نفوذ آب را تعیین کرده است مشخص شده اند.

در ادامه، روشهای خود را برای طراحی، ساخت و بررسی سازۀ شبکۀ SMPT بیان می کنیم که شامل تهیۀ روابط طراحی شبکه میشود که اجازه میدهد تا کسر حجمی چندین نوع سلول SMPT را ازطریق استانداردهای فضایی شان مشخص شود. همچنین نتایج بدست آمده از تحقیقات تجربی و عددی مان را نیز ارائه می دهیم که میتواند بعنوان اولین نمونه از سازه های مشبک ژیروئید، الماس و اولیه محسوب شود که بصورت تجربی در تحقیقات واحد مورد بررسی قرار گرفته اند.

نتیجه گیری

ما سه سازه مشبک SMPT را با آزمایش فشرده سازی مکانیکی و مدلسازی EF بررسی کرده ایم. هندسه سلولی نقش بسیار مهمی در تعیین روند تغییر شکل شبکه، حالت نقص، منحنی تنش-کرنش و خواص مکانیکی مرتبط ایفا می کند. ازطرفی، به این نتیجه رسیدیم که مدولهای الاستیک شبکه های SMPT با کسر حجمی معادل بیش از 100% طبق هندسه سلول متفاوت، با نوع اولیۀ شبکه از هر دو نوع ژیروئید و الماس بهتر است هستند. مدول الاستیک نسبتآ بزرگ در شبکه اولیه پرهزینه تر از شکل پلاستیک موضعی، کمانش سازه و کرنش خرابی است. این نوع نقص از تنوع زیاد سازۀ اولیه در موضع تحمل بار و موضع مرتبط با تنش زیاد منتج شده است.

بنابراین، برهمین اساس میتوان استفاده از شبکۀ بدوی در کاربردهای دارای سختی و مقاومت بالا در جهت بارگذاری درست پیشنهاد کرد. به عبارت دیگر، اگر قطعه مشبک قبل از نقص تحت فشار زیادی قرار گیرد، یک مشبک ژیروئید یا الماس انتخاب میشود. طبق یافته های قبلی که به مدولیانگ برای انواع شبکه های SMPT در اینجا اشاره کردند، یافته های ما که مبتنی بر بارگذاری تک محوری هستند درجه بالایی از ناهمسان گردی به خواص مکانیکی را پیشنهاد می کنند. انجام تحقیقات بیشتر در این زمینه میتواند اطلاعات بیشتری درمورد عملکرد مکانیکی با جهت خاص در این شبکه ها را ارائه داده و به مجموعه قوانین طراحی برای طراحی سازه مشبک بهینه افزوده میشود. نتیجه مهم به دست آمده از این بررسی تعیین مدولهای الاستیک نسبی، مقاومتهای فروپاشی نسبی و پیش سازه های گیبسون-اشبی برای شبکه های سه بعدیSMPT است.

امروزه میتوان از این موارد در طراحی سازه های SMPT برای تأمین ملزومات بارگذاری در کاربردهای مکانیکی و زیست پزشکی استفاده کرد. همچنین در ایجاد روابط کلی بین خواص شبکه-مواد، کسر حجمی و نوع سلول، و عملکرد برای طراحی مؤثر در آینده نقش اثربخشی خواهند داشت. در نتیجه، یافته های ما نشان میدهد که انتخاب هندسه سلول زنده میتواند در طراحی سازه های شبکه با هدف پیشگیری از حالتهای نقص نامطلوب یا فراهم نمودن فلات پلاستیکی طولانی برای جذب انرژی تحت تغییر شکل مفید باشد؛ بنابراین نیاز به شبیه سازی گستردۀ EF و آزمایشات مکانیکی را کاهش میدهد.