Biomimicking nacre-like structure to develop stiff and tough polymer composites by using multi-material 3D printing technology
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3028256Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
For å oppnå spesifikke og høyytelsesfunksjoner, er avanserte multi-material kompositter nå mye brukt. Seighet-styrke kan opprettholdes ved å designe og utvikle kompositter med kontrollert mikrostruktur. Naturen har utviklet ulike teknikker og strukturer for å tilpasse seg ugunstige miljøer over tid. Nacre, ofte kjent som perlemor, er en naturlig kompositt som serverer en eksepsjonell kombinasjon av styrke, stivhet og seighet på grunn av den indre strukturen og kombinasjonen av harde og myke komponenter. Biomimetikk får nå mye oppmerksomhet i dag for å avsløre naturens hemmeligheter og replikere dem deretter. Fused filament fabrication (FFF)-basert 3D-utskriftsteknologi er nå fremme, og multi-material 3D-utskriftsteknologi forbedrer muligheten til å produsere kompleks geometri og mikrostruktur. I denne studien prøver man å oppnå balansen mellom stivhet og seighet ved å eksperimentere med fire forskjellige perlemor-lignende kompositter. Alle de nacre-lignende modellene er utformet basert på få hensyn som murstein-og-mørtel-struktur, sekskantet blodplatestørrelse, totalt antall harde lag og volumfraksjon av harde og myke materialer. En 3D-skriver med to munnstykker brukes til fremstillingsprosessen, og bruker TPU for det myke materialet og PLA for det harde materialet. I en murstein-og-mørtel-struktur viser prøven fra modell 2 som har 7 mm lange blodplater på innsiden og totalt 5 lag med PLA 14,68 MPa maksimal bøyespenning sammenlignet med alle andre modeller (Basismodell, modell 1, modell 3) med betydelig seighet . Bilder fra CT-skanning viser at sprekken ekspanderer over modell 2-prøven ikke-lineært og gjennom frigjøring av de sekskantede lagene. To achieve specific and high-performance features, advanced multi-material composites are now widely used. Toughness-strength can be maintained by designing and developing composites with controlled microstructure. Nature has evolved various techniques and structures to adapt in adverse environments over time. Nacre, commonly known as mother-of-pearl, is a natural composite that serves an exceptional combination of strength, stiffness, and toughness because of the internal structure and combination of hard and soft components. Biomimetics is now receiving a lot of attention nowadays to reveal the secrets of nature and replicating them accordingly. Fused filament fabrication (FFF) based 3D printing technology is now advancing and multi-material 3D printing technology enhances the capability to produce complex geometry and microstructure. In this study, the balance of stiffness and toughness is trying to be achieved by experimenting four different nacre-like composites. All the nacre-like models are designed based on few consideration such brick-and-mortar structure, hexagonal platelet size, total number of hard layers and volume fraction of hard and soft materials. A dual-nozzle 3D printer is used for the fabrication process, using TPU for the soft material and PLA for the hard material. In a brick-and-mortar structure, specimen from Model 2 which has 7 mm long platelets inside and total 5 layers of PLA shows 14.68 MPa maximum flexural stress compared to all other models (Base model, Model 1, Model 3) with significant toughness. Images from CT scan show that the crack expands across the Model 2 specimen nonlinearly and through the debonding of the hexagonal layers.