بررسی نقش طراحی داخلی ساختارهای سلولی در عملکرد ضربه‌ای قطعات چاپ سه‌ بعدی‌ شده

بهینه‌سازی هم‌زمان استحکام ضربه‌ای و کاهش وزن، یکی از چالش‌های کلیدی در طراحی سازه‌های صنعتی به‌ویژه در حوزه‌های هوافضا و حمل‌ونقل به شمار می‌آید. هدف این پژوهش، طراحی ساختارهای چاپ سه‌بعدی شده‌ای است که ضمن مصرف حداقل مواد، حداکثر انرژی ضربه‌ای را جذب کنند. برای این منظور، نمونه‌هایی از جنس فیلامنت پلی‌لاکتیک اسید با سه هندسه‌ی سلولی مختلف (دایره‌ای، ده‌ضلعی و شش‌ضلعی) و در دو آرایش ساختاری (خطی و مورب) تولید شدند. بررسی رفتار ضربه‌ای این ساختارها با استفاده از آزمون تجربی شارپی و همچنین تحلیل عددی به روش اجزا محدود انجام گرفت. معیارهای ارزیابی شامل انرژی جذب‌شده، جرم نمونه‌ها و مشخصه‌های شکست بودند. نتایج نشان داد که نمونه‌های دارای ساختار شش‌ضلعی، به‌دلیل توزیع یکنواخت‌تر تنش در شبکه داخلی، عملکرد بهتری در جذب ضربه دارند. این نمونه‌ها با وجود 36٪ کاهش جرم، تا 62٪ بهبود در استحکام ضربه‌ای نشان دادند. همچنین، نمونه‌های دارای چیدمان مورب سلول‌ها، با افزایش شکل‌پذیری و ایجاد مفاصل پلاستیک بیشتر، زمان شکست نهایی را تا 575٪ افزایش در زمان شکست نهایی نشان می دهند در نهایت یافته های این مطالعه نشان می دهد که طراحی بهینه ی سلول های داخلی می تواند بدون افزایش مواد مصرفی (و حتی کاهش آن) و علی رغم کاهش جرم استحکام ضربه ای را به طور چشمگیری بهبود داده و گامی موثر در توسعه ی ساختارهای سبک و مقاوم برای کاربردهای صنعتی و هوا فضایی باشد.

investigation of internal cellular structure design in the impact performance of 3d-printed components

simultaneously optimizing impact strength while reducing material weight is a fundamental challenge across various industries. this study presents a novel approach to maximizing energy absorption in 3d-printed materials while minimizing mass and material consumption. to this end, in this study, the effects of three cellular geometries, i.e., circular, decagonal, and hexagonal, and two arrangements, i.e., linear and diagonal, were investigated on the 3d-printed samples made from pla filament. it should be noted that both the experimental charpy test and related finite element analysis (fea) were employed to evaluate the mechanical performance of the samples in terms of energy absorption. the results revealed that the samples with hexagonal cells exhibited the best performance due to their superior stress distribution. these samples demonstrated up to a 62% increase in impact strength while achieving a 36% reduction in mass. furthermore, analysis of the fracture behavior showed that samples with diagonally arranged cells extended the time until the final fracture by up to 575%. this improvement is attributed to the formation of additional plastic hinges during impact, along with the development of an inclined fracture path. overall, these findings suggest that optimizing internal cellular design can significantly enhance impact resistance without increasing material usage. this advancement is crucial for developing lightweight, high-strength structures suitable for industrial and aerospace applications.