Use of additive manufacturing for the study of nano systems

Autor: Gaál, Vladimir, 1989
Přispěvatelé: D'Avila, Marcos Akira, 1972, Rodrigues, Varlei, 1973, Noritomi, Pedro Yoshito, Bagnato, Osmar Roberto, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Marcos Akira D'Ávila, Varlei Rodrigues Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A manufatura aditiva permite produzir peças com geometrias complexas e é uma ferramenta essencial na ciência dos materiais. Neste trabalho, buscamos mimetizar comportamentos mecânicos de nano sistemas por meio de macro modelos fabricados por manufatura aditiva, para isso realizamos simulações de dinâmica molecular e extensos testes experimentais de Schwarzites impressas em 3D. Schwarzites são uma classe de alótropos de carbono com propriedades mecânicas interessantes. No entanto, a maioria dos estudos de Schwarzites são teóricos até agora porque a síntese de grandes fragmentos de Schwarzites permanece não possível. Os resultados deste trabalho mostram que esse comportamento não depende fortemente do material impresso usado, do tamanho do modelo ou do número de células unitárias estruturais. Também observamos uma forte correlação entre as curvas tensão-deformação impressas em 3D e as obtidas em simulações de dinâmica molecular totalmente atomísticas. Ambos os resultados mostram as mesmas tendências para quase todas as Schwarzites investigadas, sugerindo que características topológicas e invariantes de escala dominam alguns dos mecanismos de deformação. Em complemento ao estudo das Schwarzites estudamos também um outro modelo topológico 2D novo e simples, com Coeficiente de Poisson (CP) quase zero, baseado em um bloco estrutural composto por duas barras lisas e rígidas conectadas por uma membrana macia ou mola. Este modelo topológico foi impresso em 3D e o CP obtido experimentalmente foi de -0,003 +/- 0,001, que é o valor mais próximo de zero já relatado. Nossos resultados validam ainda mais o uso de macro modelos que podem ser impressos em 3D para mimetizar nano sistemas com geometrias complexas que são impraticáveis ou muito difíceis de sintetizar. Nossos resultados oferecem também uma abordagem de engenharia inovadora para produzir novos materiais com comportamento mecânico ajustável Abstract: Additive manufacturing allows to produce parts with complex geometries and is an essential tool in materials science. In this work, we seek to mimic the mechanical behavior of nanosystems through macro-models manufactured by additive manufacturing, for which we perform molecular dynamics simulations and extensive experimental tests of 3D printed Schwarzites. Schwarzites are a class of carbon allotropes with interesting mechanical properties. However, most studies of Schwarzites are so far theoretical because the synthesis of large fragments of Schwarzites still not possible. Our results show that this behavior does not strongly depend on the printer raw material, the model size or the number of unit cells. We also observed a strong correlation between the 3D printed stress-strain curves and those obtained in fully atomistic molecular dynamics simulations. Both results show the same trends for almost all investigated Schwarzites, suggesting that topological features and scale invariants dominate some of the deformation mechanisms. We also studied a new and simple 2D topological model, with a close to zero Poisson Coefficient, based on a structural block composed of two smooth and rigid bars connected by a soft membrane or spring. This topological model was 3D printed and the Poisson ratio obtained experimentally was -0.003 +/- 0.001, which is the closest value to zero ever reported. Our results further validate the use of macro models that can be 3D printed to mimic nanosystems with complex geometries that are either impractical or too difficult to synthesize. Our results also offer an innovative engineering approach to produce new materials with adjustable mechanical behavior Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestre em Engenharia Mecânica
Databáze: OpenAIRE
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