Väitös konetekniikanalalta, DI Anastasia Markou

Väitöskirjan nimi: Tasomaisten Hilamateriaalien Mekaanisten Ominaisuuksien Räätälöinti: Massan Uudelleenjako, Hybridisaatio ja Uudet Topologiat

Väittelijä: Anastasia Markou
Vastaväittäjä: Prof. Mahmoud Mousavi, Uppsala University, Ruotsi
Kustos: Prof. Luc St-Pierre, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu 

Tasomaisten Hilamateriaalien Mekaanisten Ominaisuuksien Räätälöinti: Massan Uudelleenjako, Hybridisaatio ja Uudet Topologiat 

Tarve kevyemmille ja tehokkaammille materiaaleille kasvaa—erityisesti aloilla kuten liikenne, jossa painon vähentäminen auttaa pienentämään päästöjä. Kennomaiset materiaalit, joilla on huokoinen, hilamainen rakenne, tarjoavat ainutlaatuisen yhdistelmän keveyttä ja lujuutta. Lisäainevalmistuksen (additive manufacturing) kehityksen ansiosta näitä materiaaleja voidaan nyt valmistaa monimutkaisilla rakenteilla, mahdollistaen mekaanisten ominaisuuksien räätälöinnin tiettyihin teknisiin tarpeisiin.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten litteiden hilamateriaalien mekaanisia ominaisuuksia voidaan muokata suunnittelun keinoin. Työssä keskitytään kolmeen strategiaan: i) materiaalin uudelleenjakoon rakenteessa (massan uudelleenjako), ii) erilaisten hilasolujen yhdistämiseen (hybridisaatio), ja iii) täysin uusien geometrioiden käyttöönottoon (uudet topologiat).
Tavoitteena on hallita tarkasti keskeisiä mekaanisia ominaisuuksia, kuten jäykkyyttä, lujuutta ja murtumiskäyttäytymistä—ilman materiaalimäärän lisäämistä.

Tutkimuksen ensimmäinen osa esittelee uuden suunnitteluparametrin nimeltään paksuussuhde, joka säätelee eri sauvojen suhteellista paksuutta hilassa. Tämä parametri mahdollistaa suunnatun jäykkyyden ja lujuuden merkittävän säätelyn pitäen materiaalin kokonaismäärän muuttumattomana. Esimerkiksi paksuussuhteen huolellinen säätö kolmio- ja kuusikulmiohilassa johti jopa 3,8 kertaa suurempaan puristuslujuuteen tietyssä suunnassa, ja samalla mahdollisti hallitun anisotropian.

Tutkimuksen toinen osa käsittelee hybridihiloja, jotka yhdistävät jäykkiä kolmiosoluja joustavampiin kuusikulmiosoluihin. Symmetriset hybridit osoittivat korkeaa lujuutta ja jäykkyyttä alueella, jossa käyttäytyminen siirtyi taivutuksesta venytyksen hallitsemaan muotoon, kun taas satunnaiset hybridit tarjosivat laajemman mekaanisen sopeutumiskyvyn.

Väitöskirjan kolmannessa osassa tutkittiin vähemmän tunnettuja rakenteita nimeltään puolisäännölliset hilat (demi-regulaariset hilat). Näillä geometrioilla saavutetaan kolmiohilojen kaltainen isotrooppinen jäykkyys, mutta jopa 42 % parempi elastinen vakautuskyky. Tämä tekee niistä erityisen lupaavia erittäin kevyisiin rakenteisiin, joissa kuormituksen alainen vakaus on kriittistä.

Yhdistämällä analyyttiset mallit, simuloinnit (FEM) ja kokeet 3D-tulostetuilla polymeerinäytteillä, tämä työ tarjoaa kattavan viitekehyksen suorituskykyisten hilamateriaalien suunnitteluun ja edistää tulevaisuuden teknisiä ratkaisuja.

Avainsanat: Hilamateriaalit, Mekaaniset ominaisuudet, Teoreettinen analyysi, Elementtimenetelmäanalyysi (FEA), Mekaaninen testaus, Demi-regulaaristen

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc