Date of Award

8-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Abdel-Hamid Mourad

Second Advisor

Sanan Husain Khan

Abstract

This study explores the enhanced compressive behavior of 3D-printed single and double gyroid solid-networks lattices. Where the double gyroids are constructed from two intertwined single gyroid structures. These structures were designed by nTop implicit modeling tool and then fabricated by material extrusion additive manufacturing method at optimized printing parameters, including optimized nozzle temperature and raster angle. The main objective of this study is to reveal the compressive behavior of the novel double gyroid lattice structure and then to tailor its response through variable gyroid heights. Standard polymer tests were performed, considering thermogravimetric analysis, to confirm the thermal stability of the printed material and to reveal the initial degradation temperature of the filament, which was found to be around 277°C. The compression results demonstrate that increasing the relative density enhances both the mechanical properties and failure resistance in both architectures. For instance, a 32% increase in relative density from 0.5 to 0.66 for double gyroids led to a 102% increase in peak load. Distinct failure modes were observed: single gyroid structures exhibited shear failure at approximately 45°, while double gyroid structures failed via densification, showing a more gradual failure behavior. This unique failure behavior offers a more gradual collapse mechanism and potential controllability through gyroids’ height variation. Despite that, double gyroid structures achieving lower peak loads than single gyroid lattices at equivalent relative densities. This research provides valuable insights into the complex interplay between relative density, architecture, and failure in 3Dprinted cellular structures, guiding the design and optimization of these materials for diverse applications such as aerospace and automotive engineering, where weight reduction is crucial.

Arabic Abstract

الطباعة ثلاثية الأبعاد للبولي بروبيلين المقوى بألياف قصيرة: بنية شبكية جديدة وتوصيف المواد

تستكشف هذه الدراسة السلوك الانضغاطي المعزز لشبكات الجيروسكوب الصلبة المفردة والمزدوجة المصنعة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. حيث يتم إنشاء الجيروسكوبات المزدوجة من هيكلين جيرويد مفردين متشابكين . تم تصميم هذه الهياكل بواسطة أداة النمذجة الضمنية (nTop) ثم تم تصنيعها بطريقة التصنيع الإضافي لبثق المواد عند معاملات طباعة مثالية، بما في ذلك درجة حرارة الفوهة المثالية وزاوية المسح. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو الكشف عن السلوك الانضغاطي لهيكل شبكة الجيروسكوب المزدوجة الجديد ومن ثم تصميم استجابته من خلال ارتفاعات الجيروسكوب المتغيرة. تم إجراء اختبارات البوليمر القياسية، مع الأخذ في الاعتبار التحليل الوزني الحراري، لتأكيد الاستقرار الحراري للمادة المطبوعة وللكشف عن درجة حرارة التحلل الأولية للخيوط، والتي وُجد أنها حوالي 277 درجة مئوية. توضح نتائج الضغط أن زيادة الكثافة النسبية تعزز كل من الخصائص الميكانيكية ومقاومة الفشل في كلا البنيتين. على سبيل المثال، أدت زيادة بنسبة 32 % في الكثافة النسبية من 0.5 إلى 0.66 للجيرويد المزدوج إلى زيادة بنسبة 102 % في حمل الذروة. لوحظت أوضاع فشل مميزة: أظهرت هياكل الجيرويد المفردة فشلًا في القص عند حوالي 45 درجة، بينما فشلت هياكل الجيرويد المزدوج من خلال التكثيف، مما يدل على سلوك فشل أكثر تدريجيًا. يوفر سلوك الفشل الفريد هذا آلية انهيار أكثر تدرجً ا وإمكانية التحكم من خلال تباين ارتفاع الجيرويد. على الرغم من أن هياكل الجيرويد المزدوج تحقق أحمال ذروة أقل من شبكات الجيرويد المفردة عند كثافات نسبية مكافئة. يوفر هذا البحث رؤى قيّمة في التفاعل المعقد بين الكثافة النسبية والهندسة المعمارية والفشل في الهياكل الخلوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مما يوجه تصميم هذه المواد وتحسينها لتطبيقات متنوعة مثل هندسة الطيران والسيارات، حيث يكون تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية.

Download
COinS