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Additive Manufacturing, Experimental Characterization, and Constitutive Modeling of Functionally Graded Polymeric Structures

Valizadeh, Iman (2024)
Additive Manufacturing, Experimental Characterization, and Constitutive Modeling of Functionally Graded Polymeric Structures.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026756
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Vat Photopolymerization-based additive manufacturing methods, such as stereolithography and digital light processing, typically use a single material to fabricate structures, presenting a limitation of this printing method. A potential solution to this constraint involves the utilization of grayscale masked stereolithography (gMSLA) for the purpose of 3D printing functionally graded materials using vat photopolymerization. Adjusting the grayscale values of the masks allows precise control over light intensity throughout the material, affecting crosslink density and photopolymer solidification. This control significantly influences the mechanical properties and dimensions of the printed components. In vat photopolymerization, besides grayscale values of the mask, it is crucial to recognize that the resin's curing process is also influenced along the thickness and on curing plane by two other key controllable parameters: layer thickness and exposure time. In this dissertation, the relationship between gMSLA process parameters and material properties is examined, which results in the development of parametric constitutive models that are dependent on process parameters. A unified parameter, exposure intensity, that combines process parameters to enhance gMSLA for parametric constitutive models is introduced. Depending on the specific application of interest, parametric hyperelastic, viscohyperelastic, and elasto-visco-plastic constitutive models, all in terms of exposure intensity, are developed and validated through experiments. Subsequently, the study systematically investigates the influence of user-controllable process parameters on geometrical deviations due to overcuring and undercuring. The constitutive parameters and geometrical deviations are represented using hyperbolic tangent functions in terms of exposure intensity. The optimized choice of process parameters enables the engineering design of parts with controllable and graded mechanical behaviors, as well as reliable geometric dimensions using gMSLA. Remarkably, selecting an appropriate parameter set significantly reduces the print time while maintaining identical mechanical behavior. Furthermore, the developed constitutive models are used to analyze energy dissipation in graded shell lattice structures at various strain rates, including the establishment of complementary functions for approximating viscoelastic material dissipation. The observations of material behavior regarding applications in energy absorption show that the tough photosensitive resins suffer from limitation of small failure strain and low plastic deformation. To overcome this limitation the tough resin is blended with a flexible resin to enhance the structure's flexibility for energy absorption applications significantly, and these systematic studies establish essential relationships for determining constitutive parameters in resin mixtures. The framework proposed in this dissertation extends the capabilities of photopolymerization-based additive manufacturing, allowing for the creation of intricate structures with customized material behaviors, including mechanical properties, flexibility, and precise geometric dimensions. During the development of this framework, a remarkable consistency is observed between experimental findings and numerical models, suggesting that the obtained results can be extrapolated to similar material systems and 3D printing technologies.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Valizadeh, Iman
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Additive Manufacturing, Experimental Characterization, and Constitutive Modeling of Functionally Graded Polymeric Structures
Sprache: Englisch
Referenten: Weeger, Prof. Dr. Oliver ; Müller, Prof. Dr. Ralf
Publikationsjahr: 27 März 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: x, 130 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 13 Februar 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026756
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26756
Kurzbeschreibung (Abstract):

Vat Photopolymerization-based additive manufacturing methods, such as stereolithography and digital light processing, typically use a single material to fabricate structures, presenting a limitation of this printing method. A potential solution to this constraint involves the utilization of grayscale masked stereolithography (gMSLA) for the purpose of 3D printing functionally graded materials using vat photopolymerization. Adjusting the grayscale values of the masks allows precise control over light intensity throughout the material, affecting crosslink density and photopolymer solidification. This control significantly influences the mechanical properties and dimensions of the printed components. In vat photopolymerization, besides grayscale values of the mask, it is crucial to recognize that the resin's curing process is also influenced along the thickness and on curing plane by two other key controllable parameters: layer thickness and exposure time. In this dissertation, the relationship between gMSLA process parameters and material properties is examined, which results in the development of parametric constitutive models that are dependent on process parameters. A unified parameter, exposure intensity, that combines process parameters to enhance gMSLA for parametric constitutive models is introduced. Depending on the specific application of interest, parametric hyperelastic, viscohyperelastic, and elasto-visco-plastic constitutive models, all in terms of exposure intensity, are developed and validated through experiments. Subsequently, the study systematically investigates the influence of user-controllable process parameters on geometrical deviations due to overcuring and undercuring. The constitutive parameters and geometrical deviations are represented using hyperbolic tangent functions in terms of exposure intensity. The optimized choice of process parameters enables the engineering design of parts with controllable and graded mechanical behaviors, as well as reliable geometric dimensions using gMSLA. Remarkably, selecting an appropriate parameter set significantly reduces the print time while maintaining identical mechanical behavior. Furthermore, the developed constitutive models are used to analyze energy dissipation in graded shell lattice structures at various strain rates, including the establishment of complementary functions for approximating viscoelastic material dissipation. The observations of material behavior regarding applications in energy absorption show that the tough photosensitive resins suffer from limitation of small failure strain and low plastic deformation. To overcome this limitation the tough resin is blended with a flexible resin to enhance the structure's flexibility for energy absorption applications significantly, and these systematic studies establish essential relationships for determining constitutive parameters in resin mixtures. The framework proposed in this dissertation extends the capabilities of photopolymerization-based additive manufacturing, allowing for the creation of intricate structures with customized material behaviors, including mechanical properties, flexibility, and precise geometric dimensions. During the development of this framework, a remarkable consistency is observed between experimental findings and numerical models, suggesting that the obtained results can be extrapolated to similar material systems and 3D printing technologies.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Vat Photopolymerisationsbasierte additive Fertigungsmethoden, wie Stereolithografie und Digital Light Processing, verwenden in der Regel ein einziges Material zur Herstellung von Strukturen, was eine Einschränkung dieser Druckmethode darstellt. Eine potenzielle Lösung für diese Beschränkung besteht in der Verwendung der grauskalierten maskierten Stereolithografie (gMSLA) zum Zweck des 3D-Drucks funktional abgestufter Materialien unter Verwendung der Vat-Photopolymerisation. Die Anpassung der Grauwerte der Masken ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Lichtintensität im gesamten Material, was die Vernetzungsdichte und die Aushärtung des Photopolymers beeinflusst. Diese Kontrolle hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und Abmessungen der gedruckten Bauteile. Bei der Vat-Photopolymerisation ist es neben den Grauwerten der Maske entscheidend zu erkennen, dass der Aushärteprozess des Harzes auch entlang der Dicke und auf der Aushärteebene von zwei weiteren wichtigen steuerbaren Parametern beeinflusst wird: der Schichtdicke und der Belichtungszeit. In dieser Dissertation wird die Beziehung zwischen den Prozessparametern des gMSLA-Verfahrens und den Materialeigenschaften untersucht. Dabei werden parametrische konstitutive Modelle entwickelt, die von den Prozessparametern beeinflusst werden. Ein vereinheitlichter Parameter, die „Belichtungsintensität“, der Prozessparameter kombiniert, um gMSLA für parametrische konstitutive Modelle zu optimieren, wird vorgestellt. Je nach spezifischem Anwendungsbereich werden parametrische hyperelastische, viskohyperelastische und elasto-visko-plastische konstitutive Modelle, alle in Bezug auf die Belichtungsintensität, entwickelt und durch Experimente validiert. Anschließend untersucht die Studie systematisch den Einfluss von benutzersteuerbaren Prozessparametern auf geometrische Abweichungen aufgrund von Überhärtung und Unterhärtung. Die konstitutiven Parameter und geometrischen Abweichungen werden in Bezug auf die Belichtungsintensität mithilfe hyperbolischer Tangensfunktionen dargestellt. Die optimale Auswahl von Prozessparametern ermöglicht es, Bauteile so zu gestalten, dass ihre mechanischen Eigenschaften genau gesteuert und abgestuft werden können. Gleichzeitig werden zuverlässige geometrische Abmessungen durch den Einsatz von gMSLA erreicht. Bemerkenswerterweise führt die Auswahl eines geeigneten Parameter-Sets zu einer signifikanten Reduzierung der Druckzeit bei gleichbleibendem mechanischem Verhalten. Darüber hinaus werden die entwickelten Materialmodelle dazu verwendet, die Energiedissipation in abgestuften Schalengitterstrukturen bei verschiedenen Dehnungsraten zu analysieren. Hierbei werden ergänzende Funktionen festgelegt, um die Dissipation viskoelastischer Materialien anzunähern. Die Beobachtungen des Materialverhaltens in Bezug auf Anwendungen im Bereich der Energieabsorption zeigen, dass die zähen photosensitiven Harze unter einer Einschränkung bezüglich kleiner Versagensdehnungen und geringer plastischer Verformung leiden. Um diese Einschränkung zu überwinden, erfolgt die Vermischung des zähen Harzes mit einem flexiblen Harz. Dies dient dazu, die Flexibilität der Struktur erheblich zu steigern, insbesondere im Hinblick auf Anwendungen in der Energieabsorption. Die durchgeführten systematischen Studien etablieren wesentliche Zusammenhänge zur Bestimmung der konstitutiven Parameter in Harzmischungen. Der in dieser Dissertation vorgeschlagene Rahmen erweitert die Möglichkeiten der photopolymerisationsbasierten additiven Fertigung und ermöglicht die Erstellung von komplexen Strukturen mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften, einschließlich mechanischer Eigenschaften, Flexibilität und präziser geometrischer Abmessungen. Während der Entwicklung dieses Rahmens wurde eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und numerischen Modellen beobachtet, was darauf hindeutet, dass die erzielten Ergebnisse auf ähnliche Materialsysteme und 3D-Drucktechnologien extrapoliert werden können.

Deutsch
Freie Schlagworte: Additive Manufacturing, Vat Photopolymerization, Grayscale Masked Stereolithography, Functionally Graded Materials, Parametric Constitutive Models, Constitutive Modeling, Geometrical Deviations, Energy Dissipation, Hyperelasticity, Viscoelastic Material, Elasto-Visco-Plasticity, Resin Blending
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-267568
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle und handwerkliche Fertigung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Cyber-Physische Simulation (CPS)
Hinterlegungsdatum: 27 Mär 2024 13:36
Letzte Änderung: 28 Mär 2024 06:36
PPN:
Referenten: Weeger, Prof. Dr. Oliver ; Müller, Prof. Dr. Ralf
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 Februar 2024
Export:
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