DESIGN AND FABRICATION OF NOVEL MULTI-MATERIAL MECHANICAL METAMATERIALS USING ADDITIVE MANUFACTURING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MASTER'S THESIS) Abbas_MS_KFUPM_2025_Thesis - final v6.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 22 May 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

ركزت الأبحاث الحالية حول المواد الخارقة الميكانيكية بشكل أساسي على الهياكل أحادية المادة، مما حدّ من فهم كيفية تعزيز الأداء الميكانيكي متعدد الوظائف من خلال دمج مواد متعددة. ولا تزال هناك فجوة معرفية كبيرة فيما يتعلق بتصميم وتصنيع المواد الخارقة الميكانيكية متعددة المواد وقدرتها على تحقيق قوة وصلابة وامتصاص طاقة فائقين مقارنةً بالتصاميم المتجانسة التقليدية. وتتيح التطورات في التصنيع الإضافي تركيبات مواد مختلفة داخل المواد الخارقة الميكانيكية المعقدة. ومن ثم، تتناول هذه الدراسة تحدي تصميم مواد خارقة ميكانيكية ذات خصائص قابلة للتخصيص ناشئة عن مواد متعددة لتلبية الطلب المتزايد على الهياكل خفيفة الوزن وعالية القوة أو الماصة للطاقة في التطبيقات الهندسية المتقدمة. وقد صُنعت ثلاثة أنواع من الهياكل الشبكية، وهي هياكل شبكية متعددة المواد من الماس المكعب والثلاثي الدوري (TPMS) القائمة على الصفائح والقائمة على الدعامات، باستخدام نمذجة الترسيب المندمج (FDM) مع حمض البولي لاكتيك (PLA) لتحقيق صلابة هيكلية، والبولي يوريثان الحراري اللدن (TPU) لتحقيق المرونة وامتصاص الطاقة. تم تطبيق تصميم التجارب (DOE)، بالاستفادة من طريقة تاجوتشي، لتحسين معلمات مثل تكوين الخلية الوحدوية، وسمك مادة اللب، وسمك الجدار لهياكل الشبكة المكعبة متعددة المواد، بينما شكّلت الكثافة النسبية ونسبة المواد عاملي التصميم الرئيسيين المختارين لهياكل الشبكة الماسية MM. كما استُخدم نموذج التعلم الآلي للشبكات العصبية الاصطناعية (ANN) للتنبؤ بمعلمات تصميم نظام TPMS بناءً على الخصائص الميكانيكية المطلوبة. أظهرت النتائج أن معامل الانضغاط، وامتصاص الطاقة، وحمل الذروة يتناسب طرديًا مع الكثافة النسبية ونسبة PLA. دُرست أيضًا خسارة الطاقة لهياكل الشبكة الماسية، والتي أظهرت انخفاضًا طفيفًا في نسبة خسارة الطاقة عند زيادة الكثافة النسبية. كشف تحليل العناصر المحدودة (FEA) عن تأثير توزيع المواد وهندستها على الأداء الميكانيكي، بينما قدّم تحليل الكسر باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) رؤىً حول سلوك الواجهة، والذي أظهر ترابطًا قويًا بين طبقات PLA وTPU. كما تم اختبار هياكل الشبكة ANN المتوقعة ذات الأهداف المختلفة، وأظهرت توافقًا ممتازًا بين القيم التجريبية والقيم المطلوبة. في جميع الهياكل الثلاثة، سمح التغيير في تكوينات المواد والهياكل للهياكل بسلوك مختلف وإعطاء مجموعة متنوعة من الخصائص الميكانيكية المتغيرة، والتي تُعد بالغة الأهمية لتخصيص الهياكل وفقًا للتطبيق المطلوب. وبالتالي، تُسلط هذه الدراسة الضوء على أهمية التصنيع الإضافي كأدوات تحويلية في تطوير الجيل القادم من المواد الفائقة متعددة المواد، مما يوفر إمكانات كبيرة لتطبيقات الفضاء والطب الحيوي وغيرها من التطبيقات عالية الأداء

English Abstract

Current research on mechanical metamaterials has primarily focused on single-material structures, limiting the understanding of how combining multiple materials could enhance multifunctional mechanical performance. A significant knowledge gap remains in the design and fabrication of multi-material mechanical metamaterials and their potential to achieve superior strength, stiffness, and energy absorption compared to traditional homogeneous designs. Advances in additive manufacturing now enable the integration of different materials within complex metamaterial architectures. This study addresses the challenge of designing mechanical metamaterials with customizable properties arising from multi-material combinations to meet the growing demand for lightweight, high-strength, or energy-absorbing structures in advanced engineering applications. Three types of lattice structures i.e. plate-based, strut-based cubic, and triply periodic minimal surface (TPMS) diamond were fabricated using fused deposition modeling (FDM), with polylactic acid (PLA) for structural rigidity and thermoplastic polyurethane (TPU) for flexibility and energy absorption. A Design of Experiments (DOE), using the Taguchi method, was applied to optimize parameters such as unit cell configuration, core material thickness, and wall thickness for cubic lattices, while relative density and material ratio were key design factors for diamond lattices. An artificial neural network (ANN) model was also used to predict design parameters for TPMS based on desired mechanical properties. Results showed that compression modulus, energy absorption, and peak load increased with higher relative density and PLA percentage. Energy loss in diamond structures slightly decreased with increasing relative density. Finite element analysis (FEA) demonstrated how material distribution and geometry influence mechanical performance, while scanning electron microscopy (SEM) revealed strong interfacial bonding between PLA and TPU layers. ANN-predicted TPMS structures also closely matched experimental outcomes. Across all three structures, varying material and geometric configurations enabled diverse mechanical properties, emphasizing the importance of customizability for targeted applications. This study highlights additive manufacturing as a transformative tool in developing next-generation multi-material metamaterials with significant potential for aerospace, biomedical, and other high-performance uses.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nazir, Aamer
Committee Members:	Ali, Usman and Vattathurvalappil, Suhail Hyder
Depositing User:	MUHAMMAD ABBAS (g202213560)
Date Deposited:	22 May 2025 11:35
Last Modified:	27 May 2025 04:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143383