4D Printing Modeling - Layers structures: Preliminary optimization of shape memory polymers geometric parameters to enhance the thermal loads’ activation range
Description
Full text not available
Abstract
I løpet av de siste tiårene har 3D-utskrift funnet anvendelser innen alle områder innen ingeniørkunst, altfra elektronikk til biomedisinsk industri, på grunn av dens effektivitet i bruken av materialet i termerav massetilpasning og avfallsreduksjon og dens høye oppløsning og presisjon underprototyping stadium. Likevel, mens den tradisjonelle additive produksjonsindustrien erutvikle en ny applikasjon eller foreslå en forbedring av den statiske og livløse 3Dtrykte komponenter, en ny teknologi, det vil si 4D-utskrift, oppstår. 4D-utskrift legger til entidsmessig dimensjon til 3D ved å gi vitalitet til utformingen av formminnematerialer ved hjelp aven ekstern stimulans for å utløse objektets transformasjon til en annen designet struktur [1].Formminnematerialene består av hydrogeler, keramikk, metaller, legeringer og polymerer.De endrer form på grunn av eksponering for spesifikke stimuli, som temperatur, lys, fuktighet,og elektromagnetisk stråling. Dette fenomenet har blitt studert i vitenskapelig litteraturom ulike bruksområder. For eksempel i van Manen et al. 2017 [2], stammene indusertved termisk stress analyseres for polymelkesyrekomponenter (PLA) hentet fra 3D-printere.Basert på denne analysen foreslår forfatterne selvmonterende origami for ulike bruksområder. ILantada og Rebollo, 2013 [3], reversibiliteten til transformasjoner for kontinuerlige applikasjoneri industrifeltet analyseres; i Lee et al., 2017 [4], ulike typer aktiveringsmetoderfor formminnematerialer sammenlignes for å utnytte bedre typer stimulirespons (f.eks.stoffer og maling) som kan implementeres enkelt, raskt og økonomisk. Uendelig, i Yuet al., 2020 [5], utføres lignende tester som i van Manen et al. 2017 [2], både for PLA ogKarbonfiberkompositt PLA-komponenter, for å evaluere endringen i formminneeffekten.Med denne kunnskapsbakgrunnen er målet med dette bidraget å forbedretilgjengelig informasjon om oppførselen til PLA formminnepolymer under påvirkning avhomogene termiske stimuli; for å oppnå dette målet, variasjonen av responsen til PLA-prøveravhengig av dens konstitutive geometriske parametere som tetthet, fyllingsvinkel og tykkelsevil bli analysert. Dette arbeidet tar sikte på å søke etter nøyaktige forhold mellom disse parameterne for å utvide temperaturområde for aktivering av PLA-prøvene slik at deres transformasjonsevne erforbedret selv ved lavere aktiveringstemperaturer. Parallelt vil resultatene fra de foreløpige testene sammenlignes med en forenklet FEA (Finite Element Analysis) modell for bedre å analysere formminneeffekten og komme til ulike konklusjoner angående hovedeksperimentene. Over the last decades, 3D printing has found applications in all areas of engineering, rangingfrom electronics to biomedical industries, due to its efficiency in the use of the material in termsof mass customization and waste reduction and its high resolution and precision during theprototyping stage. Nevertheless, while the traditional additive manufacturing industry isdeveloping a new application or proposing some improvement of the static and inanimate 3Dprinted components, a novel technology, i.e., 4D printing, is arising. 4D printing adds atemporal dimension to 3D by providing vitality to the design of shape-memory materials usingan external stimulus to trigger the object's transformation into another designed structure [1].The shape-memory materials consist of hydrogels, ceramics, metals, alloys, and polymers.They change shape due to exposure to specific stimuli, such as temperature, light, humidity,and electromagnetic radiation. This phenomenon has been studied in the scientific literatureconcerning different fields of application. E.g., in van Manen et al. 2017 [2], the strains inducedby thermal stress are analyzed for polylactic acid (PLA) components obtained from 3D printers.Based on this analysis, the authors propose self-assembling origami for various applications. InLantada and Rebollo, 2013 [3], the reversibility of transformations for continuous applicationsin the industrial field is analyzed; in Lee et al., 2017 [4], various types of activation methodsfor shape-memory materials are compared to exploit better types of stimuli response (e.g.,fabrics and paints) that may be implemented easily, quickly, and economically. Endless, in Yuet al., 2020 [5], similar tests are carried out as in van Manen et al. 2017 [2], both for PLA andCarbon Fibre composite PLA components, to evaluate the change in shape memory effect.With this background of knowledge, the objective of the present contribution is to improve theavailable information about the behaviour of PLA shape memory polymer under the effect ofhomogeneous thermal stimuli; to achieve this goal, the variation of response of PLA samplesdepending on its constitutive geometric parameters such as density, fill-angle, and thicknesswill be analyzed. This work aims to search for precise relationships between these parameters to expand thetemperature range of activation of the PLA samples so that their transformation capabilities areenhanced even at lower activation temperatures. In parallel, the results of the preliminary tests will be compared to a simplified FEA (Finite Element Analysis) model to better analyse the shape memory effect and come to various conclusions regarding the main experiments.