Design for Enhanced Wave Spring Performance: Manufacturability via Electron Beam Powder Bed Fusion and Novel Multi-Material Interface Morphologies for Stress Concentration Reduction. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Final thesis submission (g202414240).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 2 June 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

تُعدّ الهياكل المدمجة وخفيفة الوزن ضرورية في الأنظمة الميكانيكية المتقدمة، حيث يجب مراعاة قيود المساحة المحورية والوزن دون المساس بالأداء. في هذا السياق، توفر النوابض الموجية قدرة تحمل مماثلة للنوابض الحلزونية، مع تقليل المساحة المحورية بنسبة تصل إلى 50%. على الرغم من هذه المزايا، فإن التصنيع التقليدي يُقيّد النوابض الموجية بأشكال هندسية ومواد قياسية، مما يحدّ من تحسين الأداء. مع أن التصنيع بالإضافة (AM) قادر على تجاوز هذا القيد، إلا أن الدراسات السابقة ركزت بشكل أساسي على التصاميم القائمة على البوليمرات والتصاميم أحادية المادة، تاركةً النوابض الموجية المعدنية والتصاميم متعددة المواد دون استكشاف يُذكر. تتناول هذه الأطروحة هذه الفجوة من خلال دراسة النوابض الموجية المعدنية المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (EB-PBF)، وهياكل الموجات البوليمرية متعددة المواد المستوحاة من النوابض الموجية (P-WSs) للتخفيف من إجهاد التلامس الشديد. كما تُقيّم مدى ملاءمة هياكل الموجات البوليمرية متعددة المواد لمعدات هبوط الطائرات الزراعية بدون طيار لتحسين التخميد وتقليل الاهتزاز. لتحقيق هذه الغاية، تم تصميم نماذج M-WSs وP-WSs ذات أشكال تلامس مبتكرة باستخدام برنامج SolidWorks. خضعت العينات المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد EB-PBF لتقييمات من حيث الدقة الهندسية، وخشونة السطح، واختبار الضغط شبه الساكن، وخصائص المواد. تم تقييم P-WSs باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA)، وتم تصنيع التصميم الأمثل والتحقق منه تجريبيًا. كدراسة حالة، تم أيضًا تحليل جهاز الهبوط المدمج مع P-WS باستخدام تحليل العناصر المحدودة. أنتجت تقنية EB-PBF أشكالًا هندسية قريبة من الشكل النهائي مع انحرافات طفيفة، كان أكبرها انخفاضًا في الارتفاع بمقدار 2.7 مم في M-WS7. أظهرت المنطقة العلوية في جميع العينات أسطحًا ناعمة، بينما كانت الأسطح على طول اتجاه البناء أكثر خشونة بشكل ملحوظ M-WS2 وM-WS3 أفضل استجابة للضغط، حيث تحملا أحمالًا قصوى بلغت 6.84 كيلو نيوتن و8.267 كيلو نيوتن، وامتصا طاقة قدرها 74 جول و75 جول على التوالي. كشف المجهر الإلكتروني الماسح عن عيوب مرتبطة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام شعاع الإلكترون، بينما أظهر تحليل حيود الأشعة السينية قممًا خاصة بطور ألفا-تيتانيوم (سداسي التراص). ومن بين المواد المقترحة لتصنيع الهياكل المعدنية المرنة، حدد تحليل العناصر المحدودة المادة P-WS5 باعتبارها الأمثل. ضمن النطاق المرن، تحملت مادتا WS5-PETG وWS5-ABS أحمالًا بلغت 120 نيوتن و130 نيوتن على التوالي، متفوقتين بذلك على نظيراتها المرجعية. كما أظهرت P-WS5 تحسنًا في استعادة الشكل، بينما صمدت WS5-PLA أمام 35 دورة ضغط دون أي عطل. وأظهر التحليل النمطي والتوافقي أيضًا أن دمج هيكل الهبوط المصنوع من P-WS قد حسّن التخميد من 0.47% إلى 4.5%. بشكل عام، تُبرهن هذه الدراسة على جدوى تصنيع الهياكل المعدنية المرنة باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام شعاع الإلكترون، وتقدم أشكالًا جديدة للتلامس تُقلل من إجهاد التلامس، وتُعزز الاستقرار الدوري واستعادة الشكل، وتُوسع نطاق تطبيقات هذه الهياكل.

English Abstract

Compact, lightweight structures are essential in advanced mechanical systems where axial space and weight constraints must be met without compromising performance. In this context, wave springs (WSs) offer load capacity comparable to that of helical springs (HSs) while reducing axial space by up to 50%. Despite these advantages, conventional manufacturing restricts WSs to standardized geometries and materials, limiting their performance potential. Although additive manufacturing (AM) can overcome these limitations, existing studies have focused primarily on polymer-based AM, in which severe contact stresses often lead to crack initiation, thereby compromising structural reliability and limiting practical implementation. Furthermore, metallic WSs remain largely unexplored. This work addresses that gap by investigating EB-PBF-fabricated metallic WSs (M-WSs) and WS-inspired multi-material polymer wave structures (P-WSs) to mitigate severe contact stress. It also evaluates P-WS suitability for agricultural drone landing gear to improve damping and reduce vibration. Toward this end, M-WSs and P-WSs with novel contact morphologies were modeled in SolidWorks. EB-PBF-fabricated specimens were assessed for geometrical accuracy, surface roughness, quasi-static compression testing, and material characterization. P-WSs were evaluated using FEA, and the optimal design was fabricated and experimentally validated. As a case study, P-WS-integrated landing gear was also analyzed through FEA. EB-PBF produced near-net geometries with minor deviations, the largest being a 2.7 mm reduction in height in M-WS7. The top region across all specimens exhibited smooth surfaces, while the surfaces along the build direction were considerably rougher. M-WS2 and M-WS3 exhibited the best compressive response, sustaining peak loads of 6.84 kN and 8.267 kN and absorbing 74 J and 75 J of energy, respectively. SEM revealed EB-PBF-related defects, whereas XRD showed only α-Ti (HCP) peaks. Among the proposed P-WSs, FEA identified P-WS5 as optimal. Within the elastic range, WS5-PETG and WS5-ABS sustained loads of 120 N and 130 N, respectively, outperforming their benchmark counterparts. P-WS5 also showed improved shape recovery, while WS5-PLA withstood 35 compression cycles without failure. Modal and harmonic analysis further showed that P-WS-integrated landing gear improved damping from 0.47% of the benchmark to 4.5% of the P-WS-integrated design. Overall, this study demonstrates the feasibility of fabricating M-WSs using EB-PBF and introduces novel contact morphologies that reduce contact stress, enhance cyclic stability and shape recovery, and expand the application potential of WSs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Aamer Nazir,
Thesis Committee Members:	Ahmed Sarhan, Yassmin Seid Ahmed,
Depositing User:	NIYONKURU BENJAMIN
Date Deposited:	07 Jun 2026 08:00
Last Modified:	07 Jun 2026 08:00
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144462