Właściwości cieplne materiałów o strukturze TPMS wykonanych w technologii druku addytywnego SLS

• Autorzy: Anwajler Beata , Szkudlarek Mikołaj

Warianty tytułu

EN

Thermal properties of materials with TPMS structure made with SLS additive printing technology

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zwiększenie efektywności energetycznej izolacji cieplnych jest jednym z priorytetowych zagadnień dotyczący hamowania negatywnych procesów degradacji środowiska, które towarzyszą intensywnemu rozwojowi rasy ludzkiej. Wśród perspektywicznych kierunków pozwalających uzyskać potrzebne modernizacje uwzględnia się bionikę. Struktury występujące w naturze cechują się niekiedy wysokim stopniem złożoności. Dlatego możliwość uzyskiwania takich obiektów może być problematyczna przy wykorzystywaniu tradycyjnych technik wytwarzania. W takiej sytuacji uzasadnione jest zastosowanie technologii addytywnych, które pozwalają kształtować elementy bez ograniczeń. W artykule przedstawiono projekt konstrukcji materiałów przestrzennych z rdzeniem TPMS, których kształt odzwierciedla strukturę bioniczną wnętrza kości. W przypadku jedno- i wielowarstwowych struktur drukowanych metodą SLS obliczeniowa wartość współczynnika przewodzenia ciepła została określona na podstawie pomiarów i obliczeń. Przeprowadzono analizę statystyczną w celu określenia wpływu kierunku przepływu ciepła oraz struktury wewnętrznej i uwarstwienia materiałów prototypowych na wartości współczynnika przewodzenia ciepła i współczynnika oporu cieplnego. Na podstawie analizy wielokryterialnej ANOVA określono optymalny skład kompozytu zgodnie z przyjętymi kryteriami optymalizacji. Najniższa możliwa przewodność cieplna izolacji wyniosła 0,034 W/(m × K). Najwyższy możliwy opór cieplny wyniósł 0,586 m2K/W. Izolacja termiczna wykonana z prototypowych przegród izolacyjnych o konstrukcji TPMS charakteryzuje się dobrymi parametrami izolacyjnymi.

EN

Increasing the energy efficiency of thermal insulation is one of the priority issues related to the inhibtion of negative environmental degradation processes accompanying the intensive development of the human rac Bionics is considered among the prospective directions for obtaining the necessary modemizations. Structures o curring in nature are sometimes characterized by a high degree of complexity. Therefore, the possibility of obtain ing such objects can be problematic when using traditional manufacturing techniques. In such a situation, it 1 justified to use additive technologies that allow to shape elements without restrictions. The article presents a desig of spatial materials with a TPMS core, the shape of which reflects the bionic structure of the bone interior. In th case of single and multi-layer structures printed with the SLS method, the calculated value of the thermal conduc tivity coefficient was determined on the basis of measurements and calculations. A statistical analysis was carrie out in order to determine the influence of the heat flow direction and the internal structure and lamination of th prototype materials on the values of the thermal conductivity coefficient and the coefficient of thermal resistanc Based on the multi-criteria ANOVA analysis, the optimal composition of the composite was determined in accort ance with the adopted optimization criteria. The lowest possible thermal conductivity of the insulation was 0.03 W/(mXK). The highest possible thermal resistance was 0.586 mzK/W. Thermal insulation made of prototype TPM insulation partitions is characterized by good insulation parameters.

Słowa kluczowe

PL

drukowanie 3D; izolacja cieplna; struktura komórkowa; TPMS; diamond

EN

3D printed; thermal insulation; closure; structure; TPMS

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2023
• Tom: Nr 1
• Strony: 11--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys.

Twórcy

autor

Anwajler Beata

• Politechnika Wrocławska

• https://orcid.org/0000-0002-3226-1120

autor

Szkudlarek Mikołaj

• Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• [1] Ameddah H., Outtas T., Almutawakel A.: Design of graded lattice structures in turbine blades using topology optimization, International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2021
• [2] Alketan O., Abu Al-Rub R., Multifunctional mechanical-metamaterials based on triply periodic minimal Surface lattices: A review, Advanced Engineering Materials, 2019
• [3] Anwajler, B.; Spychaj, R.; Wójcik, P.; Piwowar, A.: Doświadczalne wyznaczenie właściwości cieplnych prototypowych materiałów izolacyjnych wykonanych technologia druku 3d, Rynek Energii 2021,6(157), 44
• [4] Anwajler, B.: The Thermal Properties of Optimization Structure of a Cellular Composite Made Using SLS Printing Technology, Materials 2022, 15, 1352, https://doi.org/10.3390/ma15041352
• [5] Catchpole—Smith S., Davis A.W., Ashcroft I.A, Thermal conductivity of TPMS lattice structures manufactured via laser powder bed fusion, Additive Manufacturing 30, 2019
• [6] Cichoń K., Brykalski A., Zastosowanie drukarek 3D w przemyśle, Przegląd elektrotechniczny, Zachodnio— pomorski Uniwersytet Technologiczny W Szczecinie, Szczecin 2017
• [7] Deshmukh G., Birwal P., Thermal Insulation Materials: A Tool for Energy Conservation, Journal of Food Processing & Technology, Indie 2017
• [8] Energia ze źródeł odnawialnych w 2020 r., Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2021
• [9] Feng J., Fu J., Yao X., Triply periodic minimal surface (TPMS) porous structures: from multi-scale design, precise additive manufacturing to multidisciplinary applications, Zhejiang University, China 2022
• [10] Gibson I., Rosen D., Stucker B., Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, Springer, New York 2010
• [l1] Górzyński J., Przemysłowe izolacje cieplne, Wydawnictwo Sorus, Poznań 2003
• [12] Góźdź W., Hołyst R,. Periodyczne powierzchnie minimalne W matematyce, fizyce i biologii. Instytut Chemii Fizycznej i Szkoła Nauk Ścisłych, http://soft.ichf.edu.pl/Softmatter/powierzchnie_minimalne.pdf (dostęp: 08.06.2022)
• [13] Grabowska B.: Materiały termoizolacyjne — wybrane aspekty bioinspiracji w klimatyzacji i chłodnictwie, Chłodnictwo & Klimatyzacja 2017, nr 10, str. 60-63.
• [14] Grabowska B., Wiśniewski K., Bawolski K.: Propozycja materiału termoizolacyjnego inspirowanego naturąw technologii druku 3D, Chłodnictwo & Klimatyzacja 2020, nr 12/2019-01, str. 60-63.
• [15] Grabowska B., Kasperski J.: Modeling of thermal properties of thermal insulation layered with transparent opaque and reflective film. J. Therm. Sci. 2018, nr 27, str. 463—469.
• [16] Grabowska B., Kasperski J.: The Thermal Conductivity of 3D Printed Plastic Insulation Materials—~The Effect of Optimizing the Regular Structure of Closures. Materials 2020, vol. 13, nr 19, 4400, str. l-16.
• [17] Jura J., Budowlane materiały izolacyjne, Politechnika Częstochowska, Częstochowa 2015
• [18] Kasperski, J.; Grabowska, B. Optimizing the thermal effectiveness of an insulation wrap with internal folded polypropylene film for the transportation of frozen food. Int. J. Refrig. 2016, 67, 1—21.
• [19] Kasperski, J.; Grabowska, B. Effect of plastic film transmittance on heat transfer of a multi-layer structure made of rectangular air cells. Int. J. Refrig. 2018, 92, 1—21.
• [20] Lu Y., Zhao W., Cui Z., Zhu H., Wu C., The anisotropic elastic behavior of the widely-used triply-periodic minimal surface based scaffolds, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2019
• [21] Maskery I., Sturm L., Aremu A.O., Panesar A., Insights into the mechanical properties of several triply periodic minimal surface lattice structures made by polymer additive manufacturing, Polymer, Vol 152, 2018
• [22] Poltue T., Karuna Ch., Khrueaduangkham S., Design exploration of 3D-printed triply periodic minimal surfact scaffolds for bone implants, International Journal of Mechanical Sciences, Vol 211, 2021
• [23] Quareshi Z., Elnaj jar E., Heat transfer system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS), UAE University, Al Ain 2020,[25]
• [24] Saghaian SE., Amerinatanzi A., Moghaddam NS.: Mechanical and shape memory properties of triply periodic minimal surface (TPMS) NiTi structureds fabricated by selectived laser melting, https://www.re(dostęp: 08.06.2022)
• [25] Szafrański , B. Druk 3D w prototypowaniu i produkcji, Główny Mechanik, Ożarów Mazowiecki 2017[30]
• [26] Wang Z., Zhang Y., Li Jin G., Bernard A., structurted configuration design, 2021, https://www.sciencedirect.com (dostęp: 08.06.2022)
• [27] Zhang L., Feih S., Energy absorption characteristic of metalic triply periodic minimal surface sheet structure under compressive loading. National University of Singapore, Singapore, 2018
• [28] https://schoengeometry.com/e-tpms.html (dostęp: 08.06.2022)
• [29] https://www. quantamagazine. org/math-duo—maps-the-infinite-terrain—of—minimal~surfaces-201 903 12/ (dostęp: 08.06.2022)
• [30] http://trucinska.zut.edu.pl/fi1eadmin/wyklady-budownictwo_I_rok/Termoizolacje—6.pdf (dostęp: 08.06.2022).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).