Published April 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

3D-printed bio-inspired mechanically interlocked viscoelastic dampers for energy dissipation

Creators

  • 1. Al-Zaytoonah University of Jordan
  • 2. Assiut University
  • 3. University of New Mexico

Description

Viscoelastic materials are used extensively in energy dissipation applications to mitigate large lateral displacements and attenuate vibrations. One way of exploiting the capabilities of viscoelastic materials is using shear-damping mechanisms such as seismic damping devices. This study utilizes the freedom of design offered by additive manufacturing to produce 3D- printed thermoplastic parts that act as the viscoelastic layer in an energy damping device. A mechanically interlocked damping device with a bio-inspired jigsaw-like interlocking mechanism was designed and manufactured. The damping device is composed of a hard and soft phase. The hard phase is made of steel, while the soft phase is 3D-printed thermoplastic polyurethane (TPU). The mechanically interlocked damper was cyclically tested under different amplitudes and frequencies. TPU was mechanically characterized using uniaxial cyclic tension tests under different rates and different printing processing parameters. Stress relaxation tests were also conducted to obtain the viscoelastic behavior of the TPU material. Material characterization of TPU was used to develop a finite element (FE) model that is used to simulate the mechanically interlocked damper. The FE model was validated with the experimental observations and was then used to examine the significance of damper geometry on the efficiency of energy dissipation.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تُستخدم المواد اللزجة المرنة على نطاق واسع في تطبيقات تبديد الطاقة للتخفيف من الإزاحات الجانبية الكبيرة وتخفيف الاهتزازات. تتمثل إحدى طرق استغلال قدرات المواد اللزجة المرنة في استخدام آليات تخميد القص مثل أجهزة التخميد الزلزالي. تستخدم هذه الدراسة حرية التصميم التي يوفرها التصنيع الإضافي لإنتاج أجزاء بلاستيكية حرارية مطبوعة ثلاثية الأبعاد تعمل كطبقة لزجة مرنة في جهاز تخميد الطاقة. تم تصميم وتصنيع جهاز تخميد متشابك ميكانيكيًا مع آلية تشابك مستوحاة من المنشار الحيوي. يتكون جهاز التخميد من مرحلة صلبة وناعمة. المرحلة الصلبة مصنوعة من الفولاذ، في حين أن المرحلة الناعمة هي البولي يوريثين الحراري المطبوع ثلاثي الأبعاد (TPU). تم اختبار المخمد المتشابك ميكانيكيًا دوريًا تحت سعات وترددات مختلفة. تم تمييز البولي يوريثين الحراري ميكانيكياً باستخدام اختبارات التوتر الدوري أحادي المحور بمعدلات مختلفة ومعلمات معالجة طباعة مختلفة. كما أجريت اختبارات تخفيف الإجهاد للحصول على السلوك اللزج لمواد البولي يوريثين الحراري. تم استخدام توصيف المواد لـ TPU لتطوير نموذج عنصر محدود (FE) يستخدم لمحاكاة المثبط المتشابك ميكانيكيًا. تم التحقق من صحة نموذج FE مع الملاحظات التجريبية ثم تم استخدامه لفحص أهمية هندسة المثبط على كفاءة تبديد الطاقة.

Translated Description (French)

Les matériaux viscoélastiques sont largement utilisés dans les applications de dissipation d'énergie pour atténuer les grands déplacements latéraux et atténuer les vibrations. Une façon d'exploiter les capacités des matériaux viscoélastiques est d'utiliser des mécanismes d'amortissement de cisaillement tels que des dispositifs d'amortissement sismique. Cette étude utilise la liberté de conception offerte par la fabrication additive pour produire des pièces thermoplastiques imprimées en 3D qui agissent comme couche viscoélastique dans un dispositif d'amortissement de l'énergie. Un dispositif d'amortissement à verrouillage mécanique avec un mécanisme de verrouillage de type scie sauteuse bio-inspiré a été conçu et fabriqué. Le dispositif d'amortissement est composé d'une phase dure et molle. La phase dure est en acier, tandis que la phase douce est en polyuréthane thermoplastique imprimé en 3D (TPU). L'amortisseur verrouillé mécaniquement a été testé cycliquement sous différentes amplitudes et fréquences. Le TPU a été caractérisé mécaniquement à l'aide de tests de tension cyclique uniaxiale à différentes vitesses et différents paramètres de traitement d'impression. Des tests de relaxation des contraintes ont également été menés pour obtenir le comportement viscoélastique du matériau TPU. La caractérisation des matériaux du TPU a été utilisée pour développer un modèle par éléments finis (FE) qui est utilisé pour simuler l'amortisseur verrouillé mécaniquement. Le modèle EF a été validé avec les observations expérimentales et a ensuite été utilisé pour examiner l'importance de la géométrie de l'amortisseur sur l'efficacité de la dissipation d'énergie.

Translated Description (Spanish)

Los materiales viscoelásticos se utilizan ampliamente en aplicaciones de disipación de energía para mitigar grandes desplazamientos laterales y atenuar las vibraciones. Una forma de aprovechar las capacidades de los materiales viscoelásticos es utilizar mecanismos de amortiguación de cizallamiento, como los dispositivos de amortiguación sísmica. Este estudio utiliza la libertad de diseño que ofrece la fabricación aditiva para producir piezas termoplásticas impresas en 3D que actúan como la capa viscoelástica en un dispositivo de amortiguación de energía. Se diseñó y fabricó un dispositivo de amortiguación enclavado mecánicamente con un mecanismo de enclavamiento similar a una sierra de calar de inspiración biológica. El dispositivo de amortiguación está compuesto por una fase dura y otra blanda. La fase dura está hecha de acero, mientras que la fase blanda es de poliuretano termoplástico (TPU) impreso en 3D. El amortiguador enclavado mecánicamente se probó cíclicamente en diferentes amplitudes y frecuencias. El TPU se caracterizó mecánicamente utilizando pruebas de tensión cíclica uniaxial bajo diferentes velocidades y diferentes parámetros de procesamiento de impresión. También se realizaron pruebas de relajación de esfuerzos para obtener el comportamiento viscoelástico del material de TPU. La caracterización del material de TPU se utilizó para desarrollar un modelo de elementos finitos (FE) que se utiliza para simular el amortiguador enclavado mecánicamente. El modelo FE se validó con las observaciones experimentales y luego se utilizó para examinar la importancia de la geometría del amortiguador en la eficiencia de la disipación de energía.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مخمدات لزوجة مرنة متشابكة ميكانيكيًا مطبوعة ثلاثية الأبعاد لتبديد الطاقة
Translated title (French)
Amortisseurs viscoélastiques à verrouillage mécanique bio-inspirés en 3D pour la dissipation d'énergie
Translated title (Spanish)
Amortiguadores viscoelásticos entrelazados mecánicamente impresos en 3D para la disipación de energía

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4324387286
DOI
10.1016/j.matdes.2023.111826

Is supplement to
https://openalex.org/W4221127824 (Other)
https://openalex.org/W3205855371 (Other)
https://openalex.org/W3126423071 (Other)
https://openalex.org/W2939343190 (Other)
https://openalex.org/W2378491606 (Other)
https://openalex.org/W2372559156 (Other)
https://openalex.org/W2369005055 (Other)
https://openalex.org/W2356645305 (Other)
https://openalex.org/W2090667629 (Other)
https://openalex.org/W1982852106 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1835734707
  • https://openalex.org/W1875247271
  • https://openalex.org/W1981111127
  • https://openalex.org/W1984160900
  • https://openalex.org/W1987433965
  • https://openalex.org/W2001124521
  • https://openalex.org/W2011979680
  • https://openalex.org/W2024321552
  • https://openalex.org/W2037983806
  • https://openalex.org/W2040823439
  • https://openalex.org/W2079075928
  • https://openalex.org/W2091643435
  • https://openalex.org/W2098436483
  • https://openalex.org/W2163592686
  • https://openalex.org/W2291692216
  • https://openalex.org/W2326406818
  • https://openalex.org/W2339617105
  • https://openalex.org/W2495503091
  • https://openalex.org/W2519282854
  • https://openalex.org/W2553282113
  • https://openalex.org/W2555901102
  • https://openalex.org/W2592165081
  • https://openalex.org/W2605961220
  • https://openalex.org/W2731910736
  • https://openalex.org/W2803452138
  • https://openalex.org/W2843124094
  • https://openalex.org/W2897327205
  • https://openalex.org/W2901885015
  • https://openalex.org/W2902899571
  • https://openalex.org/W2911772119
  • https://openalex.org/W2912635968
  • https://openalex.org/W2926613047
  • https://openalex.org/W2943563974
  • https://openalex.org/W2944320636
  • https://openalex.org/W2951306006
  • https://openalex.org/W2954441509
  • https://openalex.org/W2966665701
  • https://openalex.org/W2980002661
  • https://openalex.org/W2981837527
  • https://openalex.org/W2982035647
  • https://openalex.org/W2984908564
  • https://openalex.org/W2995115627
  • https://openalex.org/W2995208444
  • https://openalex.org/W2998612695
  • https://openalex.org/W3000601245
  • https://openalex.org/W3008329852
  • https://openalex.org/W3010610487
  • https://openalex.org/W3021169992
  • https://openalex.org/W3044572999
  • https://openalex.org/W3047372216
  • https://openalex.org/W3082529159
  • https://openalex.org/W3083052672
  • https://openalex.org/W3094415172
  • https://openalex.org/W3095884250
  • https://openalex.org/W3171116037
  • https://openalex.org/W3193442663
  • https://openalex.org/W3207787055
  • https://openalex.org/W3216229600